(Phys.org) — L'idrogeno è un combustibile "verde" che brucia in modo pulito e può generare elettricità tramite celle a combustibile. Un modo per produrre idrogeno in modo sostenibile è dividere le molecole d'acqua utilizzando l'energia rinnovabile della luce solare, ma gli scienziati stanno ancora imparando come controllare e ottimizzare questa reazione con i catalizzatori. Alla sorgente di luce di sincrotrone nazionale, un gruppo di ricerca ha determinato informazioni strutturali chiave su un potenziale catalizzatore, fare un passo verso la progettazione di un materiale ideale per il lavoro.

A causa della complessità meccanica ed elettrica della reazione di scissione dell'acqua, ci sono molti requisiti affinché un catalizzatore funzioni in modo ottimale. Gli scienziati devono comprendere non solo la struttura molecolare locale di un candidato, ma anche la sua struttura su intervalli più lunghi, in particolare su scala nanometrica, che tende ad essere un buon indicatore del comportamento elettronico di un materiale e quindi della sua attività catalitica complessiva.

Gli scienziati si stanno sempre più concentrando su un particolare gruppo di catalizzatori:i film sottili a base di cobalto. Questi film vengono creati tramite elettrodeposizione da soluzioni acquose di cobalto miscelate con un elettrolita. In questo studio, ricercatori della Columbia University, Università di Harvard, e Brookhaven Lab hanno utilizzato i raggi X per comprendere meglio la struttura su nanoscala a raggio intermedio di uno di questi film. Hanno anche studiato le differenze strutturali tra i film coltivati ​​utilizzando due elettroliti:fosfato, uno ione fosforo-ossigeno negativo, e borato, negativo uno ione boro-ossigeno. I film risultanti sono indicati CoPi e CoBi, rispettivamente.

Dati di diffusione dei raggi X dai campioni CoPi e CoBi, scattata alla linea di luce NSLS X7B, indicano che entrambi sono nanocristallini. Ciò significa che sono costituiti da grani su scala nanometrica, ciascuno di dimensioni comprese tra circa 1,5 e 3 nanometri (nm) con una struttura molecolare ordinata. A parte questo, ci sono differenze chiare e importanti.

I film di CoBi sono costituiti da cluster di cobalto (cobalto-ossigeno) di 3-4 nm che si impilano ordinatamente fino a tre strati di profondità. I film CoPi sono costituiti da cluster significativamente più piccoli che non si impilano in modo ordinato.

Queste differenze strutturali sembrano legate all'attività catalitica dei film. I dati elettrochimici mostrano che, all'aumentare dello spessore del film, i film CoBi erano più attivi di CoPi e alla fine hanno mostrato prestazioni "significativamente superiori". Questi risultati suggeriscono che l'aumento dello spessore del film di CoBi aumenta anche la superficie effettiva disponibile per la catalisi, preservando allo stesso tempo le proprietà di trasporto di carica dei film.

"I nostri risultati mostrano una differenza concreta tra CoBi e CoPi, permettendo così la prima visione di una tangibile correlazione struttura-funzione, " ha detto il chimico e professore di Harvard Daniel Nocera.

Il gruppo pianifica ulteriori studi per esplorare alcune questioni correlate, come la natura del trasporto di carica tra gli strati di CoBi e il comportamento dei film su intervalli più lunghi della nanoscala.