Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno studiato i meccanismi di ossidazione superficiale della superficie del Pt in mezzi alcalini, una strada di ricerca precedentemente inesplorata. I loro esperimenti hanno rivelato intuizioni cruciali che possono aiutare nello sviluppo di catalizzatori di prossima generazione, aprendo la strada a una società a zero emissioni di carbonio. I risultati sono pubblicati nel Journal of American Chemical Society .

Il perseguimento della neutralità del carbonio guida l’esplorazione di fonti di energia pulita, con le celle a combustibile a idrogeno che stanno emergendo come una strada promettente. In queste celle, l'idrogeno subisce una reazione elettrochimica con l'ossigeno per produrre elettricità e acqua. Inoltre, il processo inverso, chiamato elettrolisi, può essere utilizzato per dividere l'acqua abbondantemente disponibile per produrre idrogeno e ossigeno.

Queste due tecnologie possono lavorare in tandem per fornire una fonte di energia pulita e rinnovabile. Un elemento fondamentale in queste due tecnologie è l'elettrodo di platino (Pt).

Le celle a combustibile a idrogeno sono costituite da due elettrodi:un anodo e un catodo, con un elettrolita tra di loro. Il Pt funge da catalizzatore fondamentale nelle celle a combustibile a bassa temperatura, come le celle a combustibile alcaline e le celle a combustibile con elettrolita polimerico (PEFC). Il platino ha un'elevata attività per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR), che è fondamentale per le celle a combustibile, in condizioni alcaline e acide alla tensione operativa dei catodi PEFC.

Tuttavia, ciò porta anche alla formazione di ossido sulla superficie, che irruvidisce e dissolve lo strato di Pt, degradando infine i catodi e influenzando prestazioni e stabilità. Comprendere i meccanismi di formazione dell'ossido superficiale è quindi fondamentale per sviluppare catalizzatori catodici al platino che funzionino bene in condizioni alcaline.

Gli studi hanno dimostrato che la formazione di ossido sulla superficie del Pt dipende dal potenziale dell'elettrodo, dall'elettrolita e dal doppio strato elettrico (EDL). Mentre gli studi hanno studiato la formazione e la riduzione dell'ossido sulla superficie del Pt nei mezzi acidi, pochi di loro hanno affrontato lo stesso nei mezzi alcalini, presenti nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori con membrane a scambio anionico.

Per colmare questa lacuna, un team di ricercatori guidato dal professor Masashi Nakamura della Graduate School of Engineering, Università di Chiba, Giappone, ha scavato in profondità nei meccanismi di formazione dell'ossido sulle superfici di Pt nei mezzi alcalini.

"In uno studio precedente, abbiamo riportato che gli ioni idrofobici interfacciali con lunghe catene alchiliche possono aumentare l'ORR. Ciò suggerisce che è possibile costruire un campo di reazione interfacciale che non solo attiva l'ORR ma migliora anche la durata degli elettrodi Pt utilizzando un'interfaccia ottimale ioni", spiega il Prof. Nakamura.

Lo studio ha incluso anche contributi del Dr. Tomoaki Kumeda e del Professor Nagahiro Hoshi, entrambi della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba, insieme al Dr. Osami Sakata del Center for Synchrotron Radiation Research presso il Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Il team ha studiato la formazione di ossido sulla superficie del Pt (111) in soluzioni acquose alcaline contenenti diversi cationi, in particolare il catione litio (Li ⁺ ), Potassio (K ⁺ ) e catione tetrametilammonio (TMA ⁺ ), utilizzando metodi avanzati come lo scattering CTR (asta di troncamento dei cristalli di raggi X), la spettroscopia Raman con superficie migliorata basata su nanoparticelle d'oro (GNP-SERS) e la spettroscopia di assorbimento della riflessione infrarossa (IRAS).

"Gli studi hanno dimostrato che una combinazione di spettroscopia vibrazionale e diffrazione di raggi X è efficace per chiarire i processi di ossidazione superficiale", aggiunge il prof. Nakamura.

La CTR a raggi X ha rivelato che la formazione di ossido provoca l'instabilità superficiale e l'estrazione di Pt. Le misurazioni SERS e IRAS hanno rivelato la formazione potenziale e dipendente dai cationi di tre specie di ossidi, vale a dire l'idrossido adsorbito attivo all'infrarosso (IR) OH (OH_ad ), acqua adsorbita attiva Raman (H₂ O)_annuncio e ossigeno attivo Raman (O_ad ).

Il team ha scoperto che i cationi idrofili come Li ⁺ stabilizzare l'OH_ad IR-attivo , prevenendo così la formazione di ossidi dannosi, mentre moderata idrofilicità di K ⁺ non ha alcun effetto protettivo. È interessante notare che i cationi idrofobici voluminosi come il TMA ⁺ riducono anche l'ossidazione irreversibile, simile a Li ⁺ . In particolare, il team ha anche scoperto che la repulsione elettrostatica tra Raman-attivi (H₂ O)_annuncio e il vicino O_ad attivo Raman facilita l'estrazione di Pt.

Questi risultati suggeriscono che i cationi interfacciali svolgono un ruolo essenziale nella formazione di ossidi sulle superfici di Pt, che può essere controllata selezionando cationi appropriati. Elaborando questi risultati, il Prof. Nakamura osserva:"Queste intuizioni sono cruciali per comprendere i meccanismi di ossidazione superficiale e la struttura EDL, che possono essere utili per ottenere elettrocatalizzatori Pt stabili e ad alte prestazioni da utilizzare nei dispositivi elettrochimici di prossima generazione." /P>

Nel complesso, questo studio ci porta un ulteriore passo avanti verso il raggiungimento di un futuro a zero emissioni di carbonio alimentato da idrogeno abbondante e pulito.