Le nanoparticelle prive di metalli preziosi potrebbero fungere da potenti catalizzatori in futuro, ad esempio per la produzione di idrogeno. Per ottimizzarli, i ricercatori devono essere in grado di analizzare le proprietà delle singole particelle. Un nuovo metodo è stato suggerito da un team del Centro di elettrochimica della Ruhr-Universität Bochum (RUB) e dell'Istituto di chimica inorganica dell'Università di Duisburg-Essen (UDE).

Il gruppo ha sviluppato un metodo utilizzando un braccio robotico che consente loro di selezionare singole particelle al microscopio elettronico e posizionarle su un nanoelettrodo per l'analisi elettrochimica. Il metodo è descritto nella rivista Angewandte Chemie , pubblicato online in anticipo il 19 novembre 2020.

Utilizzo di un braccio robotico per depositare nanoparticelle sull'elettrodo

Per gli studi, gli scienziati hanno utilizzato particelle esagonali di ossido di cobalto con diametri da 180 a 300 nanometri, che il team di Duisburg-Essen composto dal professor Stephan Schulz e Sascha Saddeler aveva sintetizzato. Nell'esperimento, le particelle hanno catalizzato la cosiddetta reazione di evoluzione dell'ossigeno. Durante l'elettrolisi dell'acqua, si formano idrogeno e ossigeno, con la fase limitante in questo processo essendo attualmente la reazione parziale in cui si forma l'ossigeno. Catalizzatori più efficienti per la reazione di evoluzione dell'ossigeno semplificherebbero l'efficienza per la scissione elettrochimica dell'acqua durante la formazione di idrogeno. I catalizzatori di nanoparticelle dovrebbero aiutare in questo. Poiché la loro attività catalitica dipende spesso dalla loro dimensione o forma, è importante comprendere le proprietà delle singole particelle per trovare i catalizzatori ottimali.

Il team di Bochum composto da Thomas Quast, Dott. Harshitha Barike Aiyappa, Dott. Patrick Wilde, Il dott. Yen-Ting Chen e il professor Wolfgang Schuhmann hanno analizzato prima al microscopio particelle di ossido di cobalto selezionate, poi elettrochimicamente. "Usando un braccio robotico mobile, possiamo individuare singole nanoparticelle al microscopio elettronico, " Schuhmann spiega. "La particella selezionata, che poi sappiamo già microscopicamente, mettiamo su un minuscolo elettrodo per testare cosa può fare come catalizzatore." I ricercatori usano quindi metodi elettrochimici per misurare la sua attività catalitica per la reazione di evoluzione dell'ossigeno.

Elevata attività catalitica

In questo modo, i chimici hanno analizzato diverse singole particelle. Poiché conoscevano la dimensione e l'orientamento del cristallo di una particella, sono stati in grado di mettere in relazione l'attività catalitica con il numero di atomi di cobalto. "Qui, le particelle hanno mostrato attività notevolmente elevate nella reazione di evoluzione dell'ossigeno, e le densità di corrente misurate hanno superato di oltre 20 volte gli elettrolizzatori alcalini disponibili in commercio, "dice Stephan Schulz.

"Riteniamo che applicando la metodologia proposta, l'analisi delle singole particelle dei materiali catalitici ha finalmente raggiunto il punto di una preparazione e caratterizzazione del campione affidabile e relativamente semplice, fondamentali per stabilire relazioni struttura-funzione, " scrivono in conclusione gli autori.