Le reazioni elettrochimiche sono fondamentali per le transizioni verdi. Queste reazioni utilizzano la corrente elettrica e la differenza di potenziale per eseguire reazioni chimiche, che consentono di legare e realizzare energia elettrica dai legami chimici. Questa chimica è la base per diverse applicazioni, come la tecnologia dell'idrogeno, le batterie e vari aspetti dell'economia circolare.
Gli sviluppi e i miglioramenti di queste tecnologie richiedono una visione dettagliata delle reazioni elettrochimiche e dei diversi fattori che le influenzano. Studi recenti hanno dimostrato che, oltre al materiale dell'elettrodo, il solvente utilizzato, la sua acidità e gli ioni dell'elettrolita utilizzato influiscono in modo cruciale sull'efficienza delle reazioni elettrochimiche.
Pertanto, recentemente l'attenzione si è spostata sullo studio di come le interfacce elettrochimiche, ad esempio l'ambiente di reazione sull'elettrodo e l'interfaccia dell'elettrolita, influiscono sull'esito delle reazioni elettrochimiche.
Comprendere la chimica dell'interfaccia utilizzando solo metodi sperimentali è estremamente difficile poiché sono molto sottili, solo una frazione di nanometro. Il calcolo e la teoria sono quindi cruciali in quanto forniscono un modo accurato per studiare le interfacce elettrochimiche a livello atomico e in funzione del tempo.
Lo sviluppo del metodo e della teoria a lungo termine presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Jyväskylä (Finlandia) ha fornito una nuova comprensione della chimica delle interfacce elettrochimiche, in particolare degli effetti degli ioni elettrolitici.
"I nostri due recenti articoli di ricerca si sono concentrati sugli effetti degli ioni elettrolitici nelle reazioni di riduzione dell'ossigeno e dell'anidride carbonica, che determinano l'efficienza delle celle a combustibile, la sintesi del perossido di idrogeno e la conversione dell'anidride carbonica in sostanze chimiche e combustibili a zero emissioni di carbonio", afferma il ricercatore. Marko Melander, ricercatore dell'Accademia di Finlandia del Dipartimento di Chimica dell'Università di Jyväskylä.
Combinazione di risultati sperimentali e computazionali
I ricercatori dell'Università di Jyväskylä hanno collaborato con gruppi sperimentali e computazionali per comprendere gli effetti degli elettroliti. Il lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications e Angewandte Chemie International Edition .
"In entrambi gli studi ci siamo concentrati sulle proprietà fondamentali e sulla ricerca, che ha richiesto l'uso di strumenti sperimentali altamente accurati ed esigenti e la loro combinazione con i più recenti metodi di simulazione. Ad esempio, siamo stati in grado, per la prima volta, di combinare esperimenti e simulazioni degli effetti isotopici cinetici quantistici dell'idrogeno per comprendere la reazione di riduzione dell'ossigeno Abbiamo anche sviluppato e applicato metodi computazionali avanzati per simulare la riorganizzazione delle soluzioni acquose di elettroliti per ottenere informazioni dettagliate sul loro effetto congiunto sul meccanismo di reazione," spiega Melander. .
Questa ricerca fornisce un quadro atomistico di come gli elettroliti influenzano le reazioni elettrochimiche. Un meccanismo identificato è la formazione del legame tra uno ione e la molecola reagente.
"Siamo stati in grado di dimostrare che entrambi gli ioni controllano la struttura e la dinamica sia della superficie dell'elettrodo che dell'acqua interfacciale attraverso interazioni non covalenti. Queste interazioni piuttosto deboli determinano quindi il percorso di reazione, la velocità e la selettività, e quindi controllano l'attività e il risultato delle reazioni elettrochimiche," spiega Melander.
Sebbene questa ricerca si sia concentrata sugli aspetti fondamentali dei sistemi elettrochimici, può favorire lo sviluppo di tecnologie elettrochimiche migliorate.
"L'utilizzo degli effetti di ioni e solventi può fornire un modo per personalizzare la reattività e la selettività delle reazioni elettrochimiche. Ad esempio, l'elettrolita può essere utilizzato per dirigere la reazione di riduzione dell'ossigeno verso celle a combustibile o applicazioni di sintesi del perossido di idrogeno. Anche la chimica dell'elettrolita è un un modo efficace per indirizzare la riduzione del biossido di carbonio verso prodotti preziosi e desiderati", afferma Melander.
Ulteriori informazioni: Xueping Qin et al, Cambiamenti indotti dai cationi nei meccanismi della sfera interna ed esterna della riduzione elettrocatalitica della CO2, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43300-4
Tomoaki Kumeda et al, I cationi determinano il meccanismo e la selettività della reazione di riduzione dell'ossigeno alcalino su Pt(111)**, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312841
Informazioni sul giornale: Edizione Internazionale Angewandte Chemie , Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Jyväskylä
