La transizione dai combustibili fossili a un'economia pulita dell'idrogeno richiederà modi più economici ed efficienti per utilizzare le fonti rinnovabili di elettricità per trasformare l'acqua in idrogeno e ossigeno.

Ma un passo fondamentale in quel processo, nota come reazione di evoluzione dell'ossigeno o OER, ha dimostrato di essere un collo di bottiglia. Oggi è efficiente solo al 75% circa, e i catalizzatori di metalli preziosi utilizzati per accelerare la reazione, come platino e iridio, sono rari e costosi.

Ora un team internazionale guidato da scienziati della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy ha sviluppato una suite di strumenti avanzati per superare questo collo di bottiglia e migliorare altri processi legati all'energia, come trovare modi per caricare più velocemente le batterie agli ioni di litio. Il team di ricerca ha descritto oggi il loro lavoro su Nature.

Lavorando a Stanford, SLAC, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e la Warwick University nel Regno Unito, sono stati in grado di ingrandire le singole nanoparticelle di catalizzatore, a forma di minuscole piastre e circa 200 volte più piccole di un globulo rosso, e osservarle accelerare la generazione di ossigeno all'interno di celle elettrochimiche su misura, compreso uno che si inserisce all'interno di una goccia d'acqua.

Hanno scoperto che la maggior parte dell'attività catalitica ha avuto luogo sui bordi delle particelle, e sono stati in grado di osservare le interazioni chimiche tra la particella e l'elettrolita circostante su una scala di miliardesimi di metro mentre alzavano la tensione per guidare la reazione.

Combinando le loro osservazioni con il precedente lavoro di calcolo svolto in collaborazione con il SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis presso SLAC e Stanford, sono stati in grado di identificare un singolo passaggio nella reazione che limita la velocità con cui può procedere.

"Questa serie di metodi può dirci dove, cosa e perché di come questi materiali elettrocatalitici funzionano in condizioni operative realistiche, " ha detto Tyler Mefford, uno scienziato del personale con Stanford e lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC che ha guidato la ricerca. "Ora che abbiamo delineato come utilizzare questa piattaforma, le applicazioni sono estremamente ampie."

Passare a un'economia dell'idrogeno

L'idea di utilizzare l'elettricità per scomporre l'acqua in ossigeno e idrogeno risale al 1800, quando due ricercatori britannici hanno scoperto di poter utilizzare la corrente elettrica generata dalla pila a pila di recente invenzione di Alessandro Volta per alimentare la reazione.

Questo processo, chiamata elettrolisi, funziona in modo molto simile a una batteria al contrario:invece di generare elettricità, utilizza la corrente elettrica per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Le reazioni che generano idrogeno e ossigeno hanno luogo su diversi elettrodi utilizzando diversi catalizzatori di metalli preziosi.

L'idrogeno è un'importante materia prima chimica per la produzione di ammoniaca e la raffinazione dell'acciaio, ed è sempre più preso di mira come combustibile pulito per il trasporto pesante e lo stoccaggio di energia a lungo termine. Ma oltre il 95% dell'idrogeno prodotto oggi proviene dal gas naturale attraverso reazioni che emettono anidride carbonica come sottoprodotto. Generazione di idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua guidata dall'elettricità proveniente dal solare, vento, e altre fonti sostenibili ridurrebbero significativamente le emissioni di carbonio in una serie di importanti industrie.

Ma per produrre combustibile a idrogeno dall'acqua su una scala abbastanza grande da alimentare un'economia verde, gli scienziati dovranno rendere l'altra metà della reazione di scissione dell'acqua, quella che genera ossigeno, molto più efficiente, e trovare modi per farlo funzionare con catalizzatori basati su metalli molto più economici e più abbondanti di quelli usati oggi.

"Non ci sono abbastanza metalli preziosi nel mondo per alimentare questa reazione alla scala di cui abbiamo bisogno, "Mefford ha detto, "e il loro costo è così alto che l'idrogeno che generano non potrebbe mai competere con l'idrogeno derivato dai combustibili fossili".

Migliorare il processo richiederà una comprensione molto migliore di come funzionano i catalizzatori per la scissione dell'acqua, in modo sufficientemente dettagliato da consentire agli scienziati di prevedere cosa si può fare per migliorarli. Fino ad ora, molte delle migliori tecniche per fare queste osservazioni non hanno funzionato nell'ambiente liquido di un reattore elettrocatalitico.

In questo studio, gli scienziati hanno trovato diversi modi per aggirare queste limitazioni e ottenere un'immagine più nitida che mai.

Nuovi modi per spiare i catalizzatori

Il catalizzatore che hanno scelto di indagare è stato l'ossiidrossido di cobalto, che si presentava sotto forma di piatto, cristalli a sei facce chiamati nanopiastrine. I bordi erano affilati ed estremamente sottili, quindi sarebbe facile distinguere se una reazione stava avvenendo sui bordi o sulla superficie piana.

Circa un decennio fa, Il gruppo di ricerca di Patrick Unwin all'Università di Warwick aveva inventato una nuova tecnica per inserire una cella elettrochimica in miniatura all'interno di una gocciolina su nanoscala che sporge dalla punta di un tubo di una pipetta. Quando la goccia viene portata a contatto con una superficie, il dispositivo riproduce la topografia della superficie e le correnti elettroniche e ioniche ad altissima risoluzione.

Per questo studio, Il team di Unwin ha adattato questo minuscolo dispositivo per funzionare nell'ambiente chimico della reazione di evoluzione dell'ossigeno. I ricercatori post-dottorato Minkyung Kang e Cameron Bentley lo hanno spostato da un posto all'altro sulla superficie di una singola particella di catalizzatore durante la reazione.

"La nostra tecnica ci consente di ingrandire per studiare regioni di reattività estremamente piccole, " ha detto Kang, che ha condotto gli esperimenti lì. "Stiamo esaminando la generazione di ossigeno su una scala più di cento milioni di volte inferiore rispetto alle tecniche tipiche".

Hanno scoperto che, come spesso accade per i materiali catalitici, solo i bordi stavano attivamente promuovendo la reazione, suggerendo che i futuri catalizzatori dovrebbero massimizzare questo tipo di forte, caratteristica sottile.

Nel frattempo, Il ricercatore di Stanford e SIMES Andrew Akbashev ha utilizzato la microscopia elettrochimica a forza atomica per determinare e visualizzare esattamente come il catalizzatore ha cambiato forma e dimensione durante il funzionamento, e scoprì che le reazioni che inizialmente cambiarono il catalizzatore nel suo stato attivo erano molto diverse da quanto precedentemente ipotizzato. Piuttosto che protoni che lasciano il catalizzatore per dare il via all'attivazione, gli ioni idrossido si sono inseriti per primi nel catalizzatore, formando acqua all'interno della particella che la faceva gonfiare. Durante il processo di attivazione, quest'acqua e i protoni residui sono stati respinti.

In una terza serie di esperimenti, il team ha lavorato con David Shapiro e Young-Sang Yu presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab e con una società di Washington, Colibrì Scientifico, sviluppare una cella a flusso elettrochimica che potesse essere integrata in un microscopio a raggi X a trasmissione a scansione. Ciò ha permesso loro di mappare lo stato di ossidazione del catalizzatore funzionante, uno stato chimico associato all'attività catalitica, in aree di appena 50 nanometri di diametro.

"Ora possiamo iniziare ad applicare le tecniche che abbiamo sviluppato in questo lavoro verso altri materiali e processi elettrochimici, "Mefford ha detto. "Vorremmo anche studiare altre reazioni legate all'energia, come la ricarica rapida negli elettrodi della batteria, riduzione dell'anidride carbonica per la cattura del carbonio, e riduzione dell'ossigeno, che ci consente di utilizzare l'idrogeno nelle celle a combustibile".