Una delle maggiori sfide nel rendere la produzione di idrogeno pulita ed economica è stata trovare un catalizzatore alternativo necessario per la reazione chimica che produce il gas, uno che è molto più economico e abbondante del platino molto costoso e raro attualmente utilizzato. I ricercatori in Corea hanno ora trovato un modo per "tagliare" in minuscoli nanonastri una sostanza economica e abbondante che si adatta al conto, aumentando la sua efficienza catalitica almeno a quella del platino.

I ricercatori hanno identificato una potenziale alternativa al catalizzatore, e un modo innovativo per produrli utilizzando "forbici" chimiche, che potrebbe rendere più economica la produzione di idrogeno.

Il team di ricerca guidato dal Professor Sang Ouk Kim presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha pubblicato il proprio lavoro in Comunicazioni sulla natura .

È probabile che l'idrogeno svolga un ruolo chiave nella transizione pulita dai combustibili fossili e da altri processi che producono emissioni di gas serra. C'è una serie di settori dei trasporti come il trasporto marittimo a lungo raggio e l'aviazione che sono difficili da elettrificare e quindi richiederanno idrogeno prodotto in modo pulito come combustibile o come materia prima per altri combustibili sintetici a emissioni zero. Allo stesso modo, È improbabile che la produzione di fertilizzanti e il settore siderurgico vengano "decarbonizzati" senza idrogeno economico e pulito.

Il problema è che i metodi di gran lunga più economici per produrre gas idrogeno sono attualmente dal gas naturale, un processo che produce di per sé il gas serra anidride carbonica, che vanifica lo scopo.

Tecniche alternative di produzione di idrogeno, come l'elettrolisi che utilizza una corrente elettrica tra due elettrodi immersi nell'acqua per superare i legami chimici che tengono insieme l'acqua, suddividendolo così nei suoi elementi costitutivi, ossigeno e idrogeno sono molto ben stabilizzati. Ma uno dei fattori che contribuiscono all'alto costo, oltre ad essere estremamente energivoro, è la necessità del platino, un metallo prezioso e relativamente raro, molto costoso. Il platino viene utilizzato come catalizzatore, una sostanza che innesca o accelera una reazione chimica, nel processo di produzione dell'idrogeno.

Di conseguenza, i ricercatori sono da tempo alla ricerca di un sostituto del platino, un altro catalizzatore abbondante sulla terra e quindi molto più economico.

Dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD, sotto forma di nanomateriali, sono stati per qualche tempo considerati un buon candidato come sostituto del catalizzatore per il platino. Sono sostanze composte da un atomo di un metallo di transizione (gli elementi nella parte centrale della tavola periodica) e due atomi di un elemento calcogeno (gli elementi nella terzultima colonna della tavola periodica, nello specifico zolfo, selenio e tellurio).

Ciò che rende i TMD una buona scommessa come sostituto del platino non è solo che sono molto più abbondanti, ma anche i loro elettroni sono strutturati in modo da dare una spinta agli elettrodi.

Inoltre, un TMD che è un nanomateriale è essenzialmente un foglio supersottile bidimensionale spesso solo pochi atomi, proprio come il grafene. La natura ultrasottile di un nanofoglio TMD 2-D consente l'esposizione di molte più molecole TMD durante il processo di catalisi rispetto a quanto accadrebbe in un blocco di materiale, dando così il via e accelerando ancora di più la reazione chimica che produce l'idrogeno.

Però, anche qui le molecole TMD sono reattive solo ai quattro bordi di un nanofoglio. Nell'interno piatto, non sta succedendo molto. Al fine di aumentare la velocità di reazione chimica nella produzione di idrogeno, il nanofoglio dovrebbe essere tagliato in strisce molto sottili, quasi unidimensionali, creando così molti bordi.

In risposta, il team di ricerca ha sviluppato quelle che sono in sostanza un paio di forbici chimiche in grado di tagliare il TMD in minuscole strisce.

"Fino ad ora, le uniche sostanze che qualcuno è riuscito a trasformare in questi 'nano-nastri' sono il grafene e il fosforene, " ha detto Sang Professor Kim, uno dei ricercatori coinvolti nell'ideazione del processo.

"Ma sono entrambi costituiti da un solo elemento, quindi è abbastanza semplice. Capire come farlo per TMD, che è fatto di due elementi sarebbe stato molto più difficile."

Le "forbici" comprendono un processo in due fasi che prevede l'inserimento di ioni di litio nella struttura a strati dei fogli TMD, e poi usando gli ultrasuoni per provocare una "apertura" spontanea in linea retta.

"Funziona un po' come quando spacchi una tavola di compensato:si rompe facilmente in una direzione lungo la venatura, "Il professor Kim ha continuato. "In realtà è molto semplice".

I ricercatori lo hanno poi provato con vari tipi di TMD, compresi quelli in molibdeno, selenio, zolfo, tellurio e tungsteno. Tutto ha funzionato altrettanto bene, con un'efficienza catalitica pari a quella del platino.

Data la semplicità della procedura, questo metodo dovrebbe poter essere utilizzato non solo nella produzione su larga scala di nanonastri TMD, ma anche per realizzare nanonastri simili da altri materiali 2-D multi-elemento per scopi che vanno oltre la semplice produzione di idrogeno.