Il campo dell'energia verde in rapido sviluppo è costantemente alla ricerca di miglioramenti e i recenti progressi nei catalizzatori a doppio atomo hanno il potenziale per rivoluzionare le tecnologie di conversione dell'energia.
Nella ricerca di alternative sostenibili alle fonti energetiche basate sul carbonio, la necessità di tecnologie rapide, efficienti e scalabili è fondamentale. I sistemi di scissione dell’acqua (WWS), che si basano su batterie ad energia solare, offrono una soluzione promettente. Tuttavia, le fasi di reazione lente e complesse inerenti alle WWS ne limitano la scalabilità per un uso diffuso.
I ricercatori dell'Istituto di bioenergia e tecnologia dei bioprocessi di Qingdao dell'Accademia cinese delle scienze hanno cercato un design migliorato per aumentare la velocità e la stabilità delle principali semireazioni necessarie affinché i WSS funzionino ad alto livello:reazioni di riduzione dell'ossigeno, reazioni di evoluzione dell'ossigeno e Reazioni di evoluzione dell'idrogeno.
Si scopre che i catalizzatori a doppio atomo, che collegano catalizzatori a singolo atomo e nanoparticelle di metallo/lega, offrono maggiori opportunità per migliorare la cinetica e le prestazioni multifunzionali delle reazioni di riduzione/evoluzione dell'ossigeno e di evoluzione dell'idrogeno.
I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Communications .
"Le reazioni di riduzione/evoluzione dell'ossigeno e di evoluzione dell'idrogeno sono le reazioni principali, che coinvolgono processi di accoppiamento multiprotone-elettrone, che sono cineticamente lenti, quindi è urgente sviluppare materiali elettrocatalitici efficienti, stabili e a basso costo per migliorare la loro efficienza di conversione," ha detto Jiang Heqing, autore corrispondente dello studio.
I catalizzatori a doppio atomo (DAC), a differenza dei catalizzatori a atomo singolo (SAC), che hanno solo un atomo di metallo per sito attivo, svolgono un ruolo fondamentale nel campo della catalisi energetica grazie alla loro vantaggiosa attività catalitica multifunzionale, maggiore efficienza di utilizzo degli atomi, e un'interruzione più efficace della relazione lineare con gli intermedi di reazione.
Inoltre, l'applicazione dei SAC ai sistemi di conversione dell'energia limiterà in modo significativo l'efficienza di conversione dell'energia a causa delle barriere di reazione più elevate.
I DAC beneficiano dell'effetto sinergico tra i loro doppi atomi di metallo, consentendo un'efficace modulazione degli effetti cooperativi tra i doppi siti attivi e una sostanziale riduzione delle barriere energetiche necessarie per la reazione.
Sulla base dei vantaggi dei DAC, esplorare il loro meccanismo di sintesi attraverso strategie di sinterizzazione ad alta temperatura è fondamentale per far avanzare la loro preparazione e facilitare le applicazioni commerciali.
"Abbiamo segnalato una nuova strategia di atomizzazione/sinterizzazione per sintetizzare e mettere a punto gli stati di configurazione delle specie di cobalto (Co) a livello atomico, dalle nanoparticelle al singolo atomo al doppio atomo", ha affermato Huang Minghua, un altro autore e ricercatore che ha contribuito a lo studio.
La strategia di atomizzazione/sinterizzazione prevede la conversione del cobalto in nanoparticelle (atomizzazione), che vengono poi utilizzate per formare una specie atomo singolo (SA) e atomo doppio (DA) attraverso il processo di sinterizzazione.
Una delle caratteristiche più impressionanti di questa strategia e dei risultati di questa ricerca sono le applicazioni che l'atomizzazione/sinterizzazione può avere per realizzare altri 21 DAC. Tutto questo grazie all’osservazione di come questi DAC si formano attraverso il processo di atomizzazione/sinterizzazione. Più DAC ci sono, maggiori saranno le opportunità per esplorare altri mezzi per sfruttare meglio l'energia in modo sostenibile.
Testare le capacità del Co2 a doppio atomo N5 nelle batterie zinco-aria ha mostrato risultati promettenti. Le batterie Zn-air avevano una stabilità di 800 ore e consentivano la scissione continua dell'acqua per 1.000 ore alla volta, dimostrando il potenziale di un funzionamento ininterrotto anche durante la notte.
Il lavoro sui DAC è in corso. "Questa strategia universale e scalabile offre opportunità per la progettazione controllata di efficienti catalizzatori multifunzionali a doppio atomo nelle tecnologie di conversione dell'energia", ha affermato Jiang Heqing.
Ulteriori sviluppi possono essere apportati per continuare a migliorare le capacità dei catalizzatori bimetallici. Anche vedere come si comportano in circostanze diverse può essere istruttivo, ad esempio come il sistema di scissione dell’acqua gestisce le temperature fredde o l’acqua di mare. Collocare questi sistemi in condizioni avverse può evidenziare difficoltà che devono essere risolte e che possono costituire un ostacolo all'uso su larga scala o commerciale.
Ulteriori informazioni: Xingkun Wang et al, Sviluppo di una classe di materiali a doppio atomo per reazioni catalitiche multifunzionali, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42756-8
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
