La recente ricerca sull'impegnativo compito di sviluppare catalizzatori per la produzione di idrogeno ha fatto progressi sostanziali.
Il professor Yong-Tae Kim del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e del Graduate Institute of Ferrous &Eco Materials Technology, e Kyu-Su Kim, uno studente di dottorato del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università di scienza e tecnologia di Pohang (POSTECH ), ha collaborato a un progetto di ricerca che offre una direzione promettente per il futuro sviluppo di catalizzatori per l'elettrolisi dell'acqua.
Il loro studio è stato presentato come articolo di copertina su ACS Catalysis .
L’elettrolisi dell’acqua, un metodo per produrre idrogeno dall’abbondante risorsa acqua, emerge come una tecnologia rispettosa dell’ambiente che non produce emissioni di anidride carbonica. Tuttavia, questo processo presenta limitazioni dovute alla sua dipendenza da catalizzatori di metalli preziosi come l’iridio (Ir), che lo rendono economicamente irrealizzabile. I ricercatori stanno esplorando attivamente lo sviluppo di catalizzatori sotto forma di leghe metalliche per affrontare questa sfida.
Nel campo della ricerca sulla catalisi dell'elettrolisi dell'acqua, i catalizzatori primari sotto esame sono l'iridio, il rutenio (Ru) e l'osmio (Os). L'iridio, nonostante la sua elevata stabilità, mostra una bassa attività e ha un prezzo elevato. Al contrario, il rutenio mostra un'attività encomiabile ed è un'opzione più economica rispetto all'iridio, sebbene manchi dello stesso livello di stabilità.
L'osmio, d'altro canto, si dissolve facilmente in varie condizioni elettrochimiche, portando alla formazione di nanostrutture con un'area superficiale attiva elettrochimica ampliata, migliorando così l'attività geometrica.
Inizialmente, il gruppo di ricerca ha sviluppato catalizzatori utilizzando sia iridio che rutenio. Combinando questi metalli, sono riusciti a preservare le eccellenti caratteristiche di ciascuno, ottenendo catalizzatori che hanno dimostrato miglioramenti sia nell'attività che nella stabilità. I catalizzatori che incorporavano osmio hanno mostrato un'attività elevata grazie all'area superficiale attiva elettrochimica ampliata ottenuta attraverso la formazione di nanostrutture. Questi catalizzatori conservavano le proprietà vantaggiose dell'iridio e del rutenio.
Successivamente, il team ha ampliato la sperimentazione per includere tutti e tre i metalli. I risultati hanno mostrato un moderato aumento dell'attività, ma la dissoluzione dell'osmio ha avuto un effetto dannoso, compromettendo significativamente l'integrità strutturale dell'iridio e del rutenio. In questa serie, l'agglomerazione e la corrosione delle nanostrutture sono state accelerate, portando a un calo dell'equilibrio delle prestazioni catalitiche.
Sulla base di questi risultati, il gruppo di ricerca ha proposto diverse strade per ulteriori ricerche sui catalizzatori. Innanzitutto, sottolineano la necessità di una metrica in grado di valutare contemporaneamente sia l’attività che la stabilità. Questa metrica, nota come fattore di stabilità dell'attività, è stata inizialmente introdotta dal gruppo di ricerca di Kim nel 2017.
Inoltre, il team sostiene il mantenimento delle proprietà catalitiche superiori anche dopo la formazione di nanostrutture, al fine di migliorare l'area superficiale elettrochimica attiva dell'elettrocatalizzatore. Sottolineano inoltre l’importanza di selezionare attentamente i materiali candidati che possono creare sinergie efficaci se legati con altri metalli. L'essenza di questo studio non sta nel presentare risultati specifici come lo sviluppo di nuovi catalizzatori, ma piuttosto nell'offrire considerazioni essenziali per la progettazione del catalizzatore.
Il professor Yong-Tae Kim, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato:"Questa ricerca segna l'inizio del nostro viaggio, non la conclusione". Ha condiviso la sua visione affermando:"Ci dedichiamo allo sviluppo continuo di efficienti catalizzatori per l'elettrolisi dell'acqua sulla base delle conoscenze acquisite da questa ricerca."
Ulteriori informazioni: Kyu-Su Kim et al, Equilibrio deteriorato tra attività e stabilità tramite incorporazione di Ru in nanostrutture di evoluzione dell'ossigeno basate su Ir, catalisi ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c01497
Informazioni sul giornale: Catalisi ACS
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia di Pohang
