I ricercatori dell'Università di Tohoku hanno creato uno strumento affidabile per prevedere le prestazioni di un nuovo e promettente tipo di catalizzatore. La loro svolta accelererà lo sviluppo di catalizzatori efficienti sia per ambienti alcalini che acidi, risparmiando così tempo e fatica negli sforzi futuri per creare celle a combustibile migliori.
I dettagli della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Chemical Science il 15 marzo 2024.
La tecnologia delle celle a combustibile è stata a lungo annunciata come una strada promettente per l'energia pulita, ma le sfide legate all'efficienza dei catalizzatori ne hanno ostacolato un'adozione diffusa.
I catalizzatori molecolari metallo-azoto-carbonio (M–N–C) vantano proprietà strutturali distintive ed eccellenti prestazioni elettrocatalitiche, in particolare per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) nelle celle a combustibile. Offrono un'alternativa economica ai catalizzatori a base di platino.
Una di queste varianti di catalizzatori M – N – C è l'azaftalocianina drogata con metalli (AzPc). Questi possiedono proprietà strutturali uniche, caratterizzate da gruppi funzionali a lungo allungamento. Quando questi catalizzatori vengono posizionati su un substrato di carbonio, assumono forme tridimensionali, proprio come una ballerina posizionata su un palco. Questo cambiamento di forma influenza il loro funzionamento per l'ORR a diversi livelli di pH.
Tuttavia, tradurre queste proprietà strutturali benefiche in prestazioni migliorate è una sfida che richiede un'attività di modellazione, convalida e sperimentazione significativa e che richiede molte risorse.
"Per superare questo problema, abbiamo utilizzato simulazioni al computer per studiare come le prestazioni del catalizzatore Fe-AzPcs supportato da carbonio per le reazioni di riduzione dell'ossigeno cambiano con diversi livelli di pH, osservando come i campi elettrici interagiscono con il pH e il gruppo funzionale circostante", afferma Hao Li, professore associato presso l'Istituto avanzato per la ricerca sui materiali (WPI-AIMR) dell'Università di Tohoku e autore corrispondente dell'articolo.
Nell'analizzare le prestazioni Fe-AzPcs nell'ORR, Li e i suoi colleghi hanno incorporato grandi strutture molecolari con complesse disposizioni a catena lunga, o "modelli danzanti", con disposizioni di oltre 650 atomi.
Fondamentalmente, i dati sperimentali hanno rivelato che il modello microcinetico accoppiato al campo pH corrispondeva strettamente all'efficienza ORR osservata.
"I nostri risultati suggeriscono che la valutazione del trasferimento di carica che avviene nel sito Fe, dove l'atomo di Fe solitamente perde circa 1,3 elettroni, potrebbe servire come metodo utile per identificare gruppi funzionali circostanti adatti per l'ORR", aggiunge Li. "Abbiamo essenzialmente creato un'analisi di riferimento diretta per il modello microcinetico per identificare catalizzatori M–N–C efficaci per l'ORR in varie condizioni di pH."
Ulteriori informazioni: Di Zhang et al, Benchmarking della modellazione microcinetica accoppiata al campo pH contro la riduzione dell'ossigeno in catalizzatori Fe-azaftalocianina su larga scala, Scienze chimiche (2024). DOI:10.1039/D4SC00473F
Informazioni sul giornale: Scienze chimiche
Fornito dall'Università di Tohoku
