Un'illustrazione schematica che mostra come vengono preparati i materiali compositi N-ND e N-ND/Cu. Credito:Wang et al.
Per contrastare efficacemente i cambiamenti climatici e soddisfare il crescente fabbisogno energetico globale, gli esseri umani devono cambiare drasticamente i loro metodi per generare energia. Nuovi catalizzatori per una conversione dell'energia a emissioni zero potrebbero essere di grande aiuto per affrontare queste sfide, facilitare il passaggio all'uso di fonti energetiche rinnovabili.
Approcci elettrolitici, che convertono l'energia elettrica in energia potenziale chimica, sono particolarmente promettenti per lo sviluppo di catalizzatori per ridurre la CO 2 . Questi approcci sono generalmente basati sull'uso di sostanze acquose a basso costo, prontamente disponibili e sicure per l'ambiente. Inoltre, in genere lavorano a temperature e pressioni ambiente.
Alcuni degli elettrocatalizzatori più comuni utilizzati per abilitare la CO 2 le reazioni di riduzione sono metalli preziosi, metalli di base, ossidi metallici, dicalcogenuri metallici e catalizzatori molecolari. Questi catalizzatori, così come altri testati in studi precedenti, spesso presentano limitazioni cruciali che ne impediscono l'implementazione su larga scala. Ad esempio, possono essere molto costosi, mentre mostra anche basse efficienze energetiche e stabilità elettrochimiche insoddisfacenti.
I ricercatori della Stanford University hanno recentemente ideato una nuova strategia di progettazione che potrebbe aiutare a superare alcune di queste limitazioni, consentendo la fabbricazione di interfacce catalitiche selettive ma robuste per elettrocatalizzatori eterogenei che potrebbero ridurre la CO 2 a C 2 ossigena. Il loro approccio alla progettazione di questi elettrocatalizzatori è stato introdotto e delineato in un articolo pubblicato da Energia della natura .
"Riportiamo un principio di progettazione per la creazione di un'interfaccia catalitica selettiva ma robusta per elettrocatalizzatori eterogenei nella riduzione di CO 2 a C 2 ossigena, dimostrato dalla messa a punto razionale di un assemblaggio di nanodiamanti drogati con azoto (N-ND) e nanoparticelle di rame, " hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.
Nel loro studio, il team di Stanford ha essenzialmente mostrato come è possibile assemblare un'interfaccia catalitica incorporando nanoparticelle di Cu in N-ND, creando il materiale N-ND/Cu. La sinergia di queste due componenti fuse (cioè, Cu e N-ND) è stato trovato per consentire miglioramenti significativi nel processo dei catalizzatori di CO 2 a C 2 trasformazione ossigenata.
"Il catalizzatore mostra un'efficienza faraidica del -63 percento verso C 2 ossigena a potenziali applicati di soli -0,5 V rispetto a un elettrodo a idrogeno reversibile, " hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. "Inoltre, questo catalizzatore mostra una prestazione catalitica persistente senza precedenti fino a 120 ore, con corrente costante e solo il 19% di decadimento dell'attività."
È stato scoperto che il catalizzatore sviluppato utilizzando il principio di progettazione proposto da questi ricercatori di Stanford supera i sistemi elettrocatalitici esistenti in diversi domini, raggiungere un'attività e una selettività notevolmente elevate. Inoltre, la nuova strategia di progettazione consente un grado di controllo senza precedenti sull'interfaccia catalitica, e di conseguenza anche sull'energetica e cinetica di reazione.
Nel futuro, l'approccio potrebbe guidare lo sviluppo di una varietà di nuove interfacce elettrocatalitiche, aprendo la strada a tecniche più efficaci e rispettose dell'ambiente per lo stoccaggio dell'energia. Inoltre, la stessa strategia progettuale dovrebbe essere facile da applicare alla fabbricazione di numerose trasformazioni catalitiche, in particolare quelli basati sull'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili e di sostanze acquose facilmente reperibili.
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