I ricercatori potrebbero aver avvicinato di un passo il futuro delle energie rinnovabili. Un nuovo elettrodo può realizzare la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) in condizioni acide, rendendo la tecnologia più economica ed efficace. Il processo è aiutato da una forma intelligente di grafene.

L'elettrolisi dell'acqua in idrogeno è vitale per lo stoccaggio di energia in un'economia verde. Uno dei maggiori ostacoli, però, è l'alto costo degli elettrodi in metallo nobile. I non nobili più economici funzionano, ma principalmente in condizioni alcaline, dove la reazione è affamata di elettricità; la reazione in fase acida più efficiente richiede metalli di base rari come il platino. Ancora peggio, gli elettroliti acidi sono corrosivi e consumano il metallo centrale.

Ora, ricercatori guidati dall'Università di Tsukuba hanno scoperto che il grafene "bucato" offre un modo per aggirare questo problema. Hanno usato fogli di grafene drogato con azoto per incapsulare una lega di elettrodi di nichel-molibdeno (NiMo). In modo cruciale, il grafene è stato perforato pieno di fori di dimensioni nanometriche, come uno scolapasta. In uno studio in Catalisi ACS , hanno dimostrato che in condizioni acide, il nuovo sistema HER supera notevolmente le prestazioni di un elettrodo che utilizza il normale grafene non bucato.

L'uso del grafene negli elettrodi HER non è nuovo:questo flessibile, il foglio di carbonio conduttivo è ideale per avvolgere il metallo centrale. Però, proteggendo il metallo dalla corrosione, il grafene sopprime anche la sua attività chimica. Nel nuovo sistema Tsukuba, i fori importantissimi promuovono la reazione in due modi, mentre la parte in grafene intatta protegge il metallo.

"Abbiamo creato buchi decorando la superficie NiMo con nanoparticelle di silice, " spiega il coautore dello studio Kailong Hu. "Quindi, quando abbiamo depositato lo strato di grafene, sono stati lasciati degli spazi vuoti nelle posizioni delle nanoparticelle, come un'opera d'arte in rilievo. Infatti, i fori sono più che semplici spazi vuoti:sono circondati da creste chimicamente attive chiamate "frange". tecnicamente, queste frange sono difetti strutturali, ma guidano la chimica dell'elettrodo."

Rispetto al normale grafene, le frange sono più idrofile. Questo attrae l'idronio (H3O+) nella soluzione acida, che gioca un ruolo cruciale in uno dei due meccanismi HER. Le frange sono anche eccellenti per adsorbire singoli atomi di H, che fornisce una superficie extra per l'altro importante processo HER. Di conseguenza, L'H2 viene prodotto con la stessa efficienza di un elettrodo Pt/C convenzionale (ma costoso). Nel frattempo, la parte non bucata del grafene ritarda la dissoluzione del catalizzatore metallico nell'acido.

"Questo è un nuovo concetto versatile per gli elettrodi per l'evoluzione dell'idrogeno, " L'autore principale Yoshikazu Ito afferma. "L'obiettivo è ridurre al minimo il potenziale eccessivo necessario per la reazione. Perciò, non è limitato a un particolare catalizzatore. Abbiamo sintonizzato il nostro strato di grafene bucato specificamente su NiMo ottimizzando le dimensioni e il numero di fori. La cosa impressionante è che il catalizzatore era ancora stabile nell'acido, nonostante i buchi. Nel futuro, il grafene bucato potrebbe essere personalizzato per una gamma di metalli, spingendo l'efficienza della produzione di idrogeno verso l'adozione su vasta scala".