Un gruppo di ricercatori ha risposto ad alcune domande urgenti riguardanti una nuova e promettente classe di catalizzatori noti come catalizzatori a singolo atomo (SAC).
Le loro intuizioni sono state presentate come articolo di copertina nel Journal of the American Chemical Society il 12 gennaio 2024.
Gli scienziati hanno identificato i SAC metallo-azoto-carbonio (M–N–C) come alternative efficienti ed economiche ai catalizzatori a base di platino in applicazioni critiche come celle a combustibile e batterie.
Nonostante la loro promessa, tuttavia, ci sono ancora diversi aspetti del loro comportamento nella reazione di riduzione dell’ossigeno – un processo cruciale che avviene in vari sistemi elettrochimici – che non sono ben compresi, come la dipendenza della loro attività dal pH, la selettività per diverse vie di trasferimento degli elettroni e l'identificazione dei passaggi che determinano la velocità.
Il gruppo, che comprende Hao Li, professore associato presso l'Istituto avanzato per la ricerca sui materiali (WPI-AIMR) dell'Università di Tohoku, ha approfondito le complessità dei catalizzatori M–N–C, affrontando domande fondamentali che da tempo lasciano perplessa la comunità scientifica.
Attraverso un'analisi meticolosa di oltre 100 strutture catalitiche M–N–C e valutazioni energetiche complete che coprono più di 2.000 set di dati, i ricercatori hanno scoperto un'evoluzione dipendente dal pH nell'attività catalitica di questi materiali.
Contrariamente alle ipotesi precedenti, lo studio ha rivelato una risposta sfumata dei catalizzatori M–N–C a diversi livelli di pH, con alcuni che mostrano notevole stabilità e prestazioni in ambienti acidi e alcalini.
La ricerca ha inoltre evidenziato l'intricata interazione tra la composizione del catalizzatore e le sue prestazioni, chiarendo i fattori che influenzano la selettività per diversi percorsi di reazione. Sintetizzando una vasta gamma di catalizzatori M–N–C e sottoponendoli a rigorosi test sperimentali, il team ha convalidato le loro previsioni teoriche, affermando l'accuratezza dei loro modelli nel prevedere i parametri catalitici chiave.
"I nostri risultati rappresentano una pietra miliare significativa nella ricerca di materiali catalitici efficienti e sostenibili", sottolinea Li. "Svelando la dipendenza dal pH, la selettività e la versatilità dei catalizzatori M–N–C, stiamo aprendo la strada allo sviluppo di catalizzatori di prossima generazione con prestazioni e applicabilità senza precedenti."
Dato che la dipendenza dal pH nell’elettrocatalisi è molto comune, Li e i suoi colleghi sperano di estendere questo modello di successo a una varietà di reazioni catalitiche in futuro. "Vogliamo migliorare la precisione dei modelli teorici catalitici per consentire un migliore screening per catalizzatori stabili e ad alte prestazioni", aggiunge Li.
Ulteriori informazioni: Di Zhang et al, Svelare le prestazioni di riduzione dell'ossigeno dipendenti dal pH su catalizzatori a singolo atomo:da un singolo a un doppio Sabatier Optima, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11246
Fornito dall'Università di Tohoku
