Gli anodi per la scissione elettrolitica dell'acqua sono generalmente materiali a base di iridio. Per aumentare la stabilità del catalizzatore di iridio, un team dell'HZB e un gruppo dell'HI-ERN hanno ora prodotto una cosiddetta libreria di materiali:un campione in cui la concentrazione di ossidi di iridio e titanio viene variata sistematicamente.
Le analisi dei singoli segmenti del campione al BESSY II nel laboratorio EMIL hanno dimostrato che la presenza di ossidi di titanio può aumentare significativamente la stabilità del catalizzatore di iridio.
Un’opzione per immagazzinare energia dal sole o dal vento è la produzione di idrogeno “verde” mediante elettrolisi. L'idrogeno immagazzina energia in forma chimica e la rilascia nuovamente quando viene bruciato, senza produrre gas di scarico, ma solo acqua. Oggi l’iridio è il catalizzatore più avanzato di questa reazione. Tuttavia, l'iridio si dissolve sempre più nell'ambiente acido della cella di elettrolisi, per cui l'effetto catalitico svanisce rapidamente.
"Volevamo verificare se la stabilità del catalizzatore può essere migliorata aggiungendo diverse proporzioni di ossido di titanio", afferma il Prof. Dr. Marcus Bär (HZB). Sebbene l'ossido di titanio non sia cataliticamente attivo, è molto stabile. "Avevamo alcune indicazioni che la presenza di ossido di titanio avrebbe avuto un effetto positivo sulla stabilità senza influenzare l'effetto catalitico dell'iridio. Ma volevamo anche scoprire se esiste un rapporto di miscelazione ideale."
Il campione è stato prodotto presso l'Istituto Helmholtz Erlangen-Norimberga per le energie rinnovabili (HI-ERN) dal team della Prof. Dr. Olga Kasian sputtering titanio e iridio con composizioni localmente variabili. Si tratta di una cosiddetta libreria di materiali a film sottile in cui il contenuto di iridio varia dal 20% al 70%
A BESSY II; il team ha utilizzato metodi spettroscopici a raggi X per analizzare come la struttura chimica cambia a seconda del contenuto di iridio dei campioni misti di ossido di iridio-titanio. Qui hanno avuto un ruolo diversi effetti:ad esempio, la presenza di subossidi di titanio (come TiO e TiOx ) ha migliorato la conduttività del materiale.
Un altro risultato entusiasmante è stato che alcuni ossidi di titanio si dissolvono più velocemente nell’elettrolita acquoso rispetto all’iridio, creando micropori sulla superficie. Ciò ha promosso la reazione di evoluzione dell'ossigeno perché più atomi di iridio degli strati inferiori sono entrati in contatto con l'elettrolita.
L'effetto principale, tuttavia, è che gli ossidi di titanio (TiO2 , così come TiO e TiOx ) riducono significativamente la dissoluzione dell'iridio. "Nel campione con il 30% di titanio aggiunto rispetto a un materiale per elettrodi in iridio puro, abbiamo osservato una risoluzione dell'iridio inferiore di circa il 70%", afferma Marianne van der Merwe, che ha effettuato le misurazioni nell'ambito del suo dottorato con Marcus Bär.
Ma quanto sono rilevanti per l’industria questi risultati della ricerca di laboratorio? "Se esistono tecnologie già consolidate, all'inizio è sempre difficile cambiare qualcosa", afferma Marcus Bär. "Ma qui mostriamo come la stabilità degli anodi può essere aumentata in modo significativo con uno sforzo gestibile."
Lo studio è pubblicato sulla rivista ACS Catalysis .
Ulteriori informazioni: Marianne van der Merwe et al, Le proprietà chimiche ed elettroniche dei catalizzatori di reazione di evoluzione dell'ossigeno misto Ir-TiOx con stabilità migliorata, catalisi ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02948
Informazioni sul giornale: Catalisi ACS
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