L'idrogeno è una fonte sostenibile di energia pulita che evita emissioni tossiche e può aggiungere valore a molteplici settori dell'economia, compresi i trasporti, produzione di energia, lavorazione dei metalli, tra gli altri. Le tecnologie per lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno colmano il divario tra la produzione di energia sostenibile e l'uso di carburante, e quindi sono una componente essenziale di un'economia sostenibile dell'idrogeno. Ma i mezzi tradizionali di stoccaggio e trasporto sono costosi e suscettibili di contaminazione. Di conseguenza, i ricercatori sono alla ricerca di tecniche alternative affidabili, a basso costo e semplice. Sistemi di erogazione dell'idrogeno più efficienti andrebbero a vantaggio di molte applicazioni come l'alimentazione stazionaria, potere portatile, e l'industria dei veicoli mobili.

Ora, come riportato sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori hanno progettato e sintetizzato un materiale efficace per accelerare uno dei passaggi limitanti nell'estrazione dell'idrogeno dagli alcoli. Il materiale, un catalizzatore, è costituito da minuscoli grappoli di nichel metallico ancorati su un substrato 2-D. Il team guidato dai ricercatori della Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto che il catalizzatore potrebbe accelerare in modo pulito ed efficiente la reazione che rimuove gli atomi di idrogeno da un vettore chimico liquido. Il materiale è robusto e realizzato con metalli abbondanti in terra piuttosto che opzioni esistenti realizzate con metalli preziosi, e contribuirà a rendere l'idrogeno una valida fonte di energia per un'ampia gamma di applicazioni.

"Vi presentiamo qui non solo un catalizzatore con una maggiore attività rispetto ad altri catalizzatori al nichel che abbiamo testato, per un importante combustibile energetico rinnovabile, ma anche una strategia più ampia per l'utilizzo di metalli a prezzi accessibili in una vasta gamma di reazioni, " ha detto Jeff Urban, il direttore della Inorganic Nanostructures Facility presso la Molecular Foundry che ha guidato il lavoro. La ricerca fa parte del Consorzio di ricerca avanzata sui materiali a base di idrogeno (HyMARC), un consorzio finanziato dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Attraverso questo sforzo, cinque laboratori nazionali lavorano per raggiungere l'obiettivo di colmare le lacune scientifiche che bloccano il progresso dei materiali di stoccaggio dell'idrogeno solido. I risultati di questo lavoro confluiranno direttamente nella visione H2@Scale di EERE per la produzione di idrogeno a prezzi accessibili, Conservazione, distribuzione e utilizzo in più settori dell'economia.

I composti chimici che agiscono come catalizzatori come quello sviluppato da Urban e dal suo team sono comunemente usati per aumentare la velocità di una reazione chimica senza che il composto stesso venga consumato:potrebbero mantenere una particolare molecola in una posizione stabile, o fungere da intermediario che consente di completare in modo affidabile un passaggio importante. Per la reazione chimica che produce idrogeno da vettori liquidi, i catalizzatori più efficaci sono costituiti da metalli preziosi. Però, quei catalizzatori sono associati a costi elevati e bassa abbondanza, e sono suscettibili di contaminazione. Altri catalizzatori meno costosi, realizzati con metalli più comuni, tendono ad essere meno efficaci e meno stabili, che limita la loro attività e il loro impiego pratico nelle industrie di produzione di idrogeno.

Per migliorare le prestazioni e la stabilità di questi catalizzatori a base di metalli abbondanti in terra, Urban e i suoi colleghi hanno modificato una strategia che si concentra su piccoli, grappoli uniformi di nichel metallico. I piccoli ammassi sono importanti perché massimizzano l'esposizione della superficie reattiva in una data quantità di materiale. Ma tendono anche a raggrupparsi insieme, che ne inibisce la reattività.

L'assistente di ricerca post-dottorato Zhuolei Zhang e lo scienziato del progetto Ji Su, sia presso la Molecular Foundry che co-autori principali della carta, progettato ed eseguito un esperimento che ha combattuto l'aggregazione depositando cluster di nichel di 1,5 nanometri di diametro su un substrato 2-D fatto di boro e azoto progettato per ospitare una griglia di fossette su scala atomica. I grappoli di nichel si disperdevano uniformemente e si ancoravano saldamente nelle fossette. Non solo questo design ha impedito l'aggregazione, ma le sue proprietà termiche e chimiche hanno notevolmente migliorato le prestazioni complessive del catalizzatore interagendo direttamente con i cluster di nichel.

"Il ruolo della superficie sottostante durante la formazione dei cluster e la fase di deposizione è stato ritenuto critico, e possono fornire indizi per comprendere il loro ruolo in altri processi", ha affermato Urban.

Misure dettagliate a raggi X e spettroscopia, combinato con calcoli teorici, ha rivelato molto sulle superfici sottostanti e sul loro ruolo nella catalisi. Utilizzando gli strumenti presso la sorgente di luce avanzata, una struttura per gli utenti DOE presso il Berkeley Lab, e metodi di modellazione computazionale, i ricercatori hanno identificato cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche dei fogli 2-D mentre si formavano e si depositavano su di essi minuscoli grappoli di nichel. Il team ha proposto che il materiale si formi mentre i cluster metallici occupano regioni incontaminate dei fogli e interagiscono con i bordi vicini, preservando così le minuscole dimensioni dei grappoli. Il piccolo, i cluster stabili hanno facilitato l'azione nei processi attraverso i quali l'idrogeno viene separato dal suo veicolo liquido, conferendo al catalizzatore un'ottima selettività, produttività, e prestazioni stabili.

I calcoli hanno mostrato che la dimensione del catalizzatore era la ragione per cui la sua attività era tra le migliori rispetto ad altre che sono state recentemente segnalate. David Prendergast, direttore della Theory of Nanostructured Materials Facility presso la Molecular Foundry, insieme all'assistente di ricerca post-dottorato e co-autrice Ana Sanz-Matias, ha utilizzato modelli e metodi computazionali per scoprire la struttura geometrica ed elettronica unica dei minuscoli ammassi metallici. atomi di metallo nudo, abbondanti su questi minuscoli grappoli, attrasse più facilmente il veicolo liquido rispetto alle particelle metalliche più grandi. Questi atomi esposti hanno anche facilitato le fasi della reazione chimica che sottrae l'idrogeno al vettore, prevenendo la formazione di contaminanti che potrebbero intasare la superficie del grappolo. Quindi, il materiale è rimasto privo di inquinamento durante le fasi chiave della reazione di produzione dell'idrogeno. Queste proprietà catalitiche e anti-contaminazione sono emerse dalle imperfezioni che erano state deliberatamente introdotte nei fogli 2-D e alla fine hanno contribuito a mantenere piccole le dimensioni del cluster.

"La contaminazione può rendere impraticabili eventuali catalizzatori di metalli non preziosi. La nostra piattaforma qui apre una nuova porta all'ingegneria di quei sistemi, " disse Urbano.

Nel loro catalizzatore, i ricercatori hanno raggiunto l'obiettivo di creare un prodotto relativamente poco costoso, già disponibile, e materiale stabile che aiuta a rimuovere l'idrogeno dai vettori liquidi per utilizzarlo come combustibile. Questo lavoro è scaturito da uno sforzo del DOE per sviluppare materiali di stoccaggio dell'idrogeno per soddisfare gli obiettivi dell'ufficio per le tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile di EERE e per ottimizzare i materiali per l'uso futuro nei veicoli.

Future work by the Berkeley Lab team will further hone the strategy of modifying 2-D substrates in ways that support tiny metal clusters, to develop even more efficient catalysts. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.