Facilmente prodotto, nanostrutture simili alla natura di fosfuro di cobalto sono catalizzatori altamente efficaci per l'elettrolisi dell'acqua, secondo una ricerca condotta dal chimico Ning Yan e dal suo team presso il Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam insieme ai colleghi della School of Physics and Technology dell'Università di Wuhan, Cina. In un documento presente sulla copertina del Journal of Materials Chemistry A , descrivono come i metodi di deposizione elettrochimica relativamente semplici producono erba, foglia-, e nanostrutture simili a fiori che portano la promessa di una generazione efficiente di idrogeno.

Per la preparazione di nanostrutture, approcci top-down come la litografia sono da tempo comuni. Questo si è dimostrato molto utile nella fabbricazione di semiconduttori, ma per applicazioni più dedicate, richiede tempo e non è particolarmente conveniente. In alternativa, molti ricercatori esplorano la sintesi dal basso verso l'alto delle nanostrutture, ad esempio, basato sull'autoassemblaggio di molecole o blocchi di costruzione su scala nanometrica. Però, ottenere il controllo della geometria spesso richiede costosi additivi e tensioattivi, rendendo la preparazione del materiale su larga scala piuttosto impegnativa.

In alternativa, Professore assistente Ning Yan, insieme al suo dottorato di ricerca. gli studenti Jasper Biemolt e Pieter Laan del Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam, hanno ora esplorato un metodo relativamente semplice di elettrodeposizione dell'idrossido di cobalto. In collaborazione con i ricercatori della Scuola di Fisica e Tecnologia dell'Università di Wuhan, Cina, sono stati in grado di progettare e preparare una varietà di nano-architetture che assomigliano a vari oggetti in un giardino:suolo, germogli, erbe, fiori, e foglie.

I ricercatori riferiscono di aver padroneggiato il sistema in modo tale da poter far crescere qualsiasi di queste strutture a piacimento.

Aggiungendo a questo, sono stati in grado di rendere cataliticamente attive le nanostrutture mediante una semplice procedura di fosfidazione. Le risultanti nanostrutture di fosfuro di cobalto mostrano attività catalitica bifunzionale nella scissione elettrolitica dell'acqua, potenziando le reazioni di generazione di idrogeno e ossigeno.

Nanostrutture gerarchiche tramite sintesi controllata

Ning Yan e collaboratori hanno coltivato i loro nanogiardini su un panno costituito da fibre di carbonio di circa 10 micrometri di diametro, un materiale per elettrodi comune nelle industrie delle celle a combustibile e degli elettrolizzatori. Il giardinaggio è iniziato con la deposizione di uno strato di "terreno" incapsulando idrotermicamente le fibre con un denso strato di idrossido di cobalto. Questo strato ha aumentato la stabilità strutturale delle nanostrutture. Attraverso la variazione della concentrazione di ioni e della temperatura, sono stati in grado di indurre il "germoglio" di caratteristiche erbacee fortemente "radicate" nel terreno.

Queste erbe hanno una lunghezza media di 1,5 μm e uno spessore di circa 100 nm. Per aggiungere fiori e foglie ai tratti erbosi, i ricercatori hanno applicato un metodo di elettrodeposizione. In una soluzione diluita, l'elettrodeposizione procede prevalentemente dalla punta del fusto d'erba, dove il piccolo raggio di curvatura si traduce in una maggiore densità di carica spaziale. In soluzioni più concentrate, l'elettrodeposizione procede principalmente dal fondo degli steli. Ciò si traduce nella deposizione di caratteristiche "a foglia", che di fatto sono strutture di deposito dendritico intrecciate.

Dopo aver convertito le nanostrutture di idrossido di cobalto in fosfuro di cobalto mediante fosfurazione, i ricercatori hanno valutato la loro attività catalitica in un ambiente che rappresentava adeguatamente condizioni industrialmente rilevanti. Come si è scoperto, le prestazioni del catalizzatore in un ambiente acido sono tra le migliori degli attuali catalizzatori di metalli non preziosi superiori per l'evoluzione dell'idrogeno. Per di più, in condizioni acide, alcaline e neutre, le nanocaratteristiche floreali hanno portato a frequenze di turnover significativamente maggiori rispetto alle caratteristiche a foglia, in particolare a sovratensioni più elevate quando l'evoluzione dell'idrogeno è influenzata da limitazioni del trasporto di massa. I ricercatori attribuiscono questo alla geometria delle nanocaratteristiche in cui i fiori consentono uno scarico più fluido dell'idrogeno. Però, i diversi ambienti di reazione nelle posizioni superiore e inferiore delle nanostrutture si completano a vicenda, con conseguente prestazione globale ottimale.

Finalmente, negli esperimenti di elettrolisi sulla scissione dell'acqua, i ricercatori hanno dimostrato che i loro nanogiardini non solo catalizzano la reazione di evoluzione dell'idrogeno, ma anche l'evoluzione dell'ossigeno. Questa attività bifunzionale è stata mostrata utilizzando una configurazione simmetrica a due elettrodi con nanogiardini completamente identici all'anodo e al catodo. Il team studierà ulteriormente l'uso degli elettroni per controllare la crescita dei nanocristalli in una sintesi di materiali "elettrificati" che promette un futuro sostenibile.