Modelli di rappresentazione di a) singolo atomo di nichel, b) singolo atomo di cobalto, c) dimero di singolo atomo di nichel-cobalto (NiCO-SAD-NC) e d) catalizzatori eterogenei di nanoparticelle di nichel-cobalto. Credito:Institute for Basic Science (William I. Suh)
La riserva limitata di combustibili fossili e le minacce sempre crescenti del cambiamento climatico hanno incoraggiato i ricercatori a sviluppare tecnologie alternative per produrre combustibili ecocompatibili. L'idrogeno verde generato dall'elettrolisi dell'acqua utilizzando elettricità rinnovabile è considerato una fonte di energia rinnovabile di prossima generazione per il futuro. Ma in realtà, la stragrande maggioranza dell'idrogeno è ottenuta dalla raffinazione dei combustibili fossili a causa dell'alto costo dell'elettrolisi.
Attualmente, l'efficienza dell'elettrolisi dell'acqua è limitata e spesso richiede un'elevata tensione della cella a causa della mancanza di elettrocatalizzatori efficienti per le reazioni di evoluzione dell'idrogeno. Metalli nobili come il platino (Pt) sono usati come catalizzatori per migliorare la generazione di idrogeno in entrambi i mezzi acidi/alcalini. Tuttavia, questi catalizzatori di metalli nobili sono molto costosi e mostrano una scarsa stabilità durante il funzionamento a lungo termine.
I catalizzatori a atomo singolo presentano vantaggi rispetto alle loro controparti a base di nanomateriali, raggiungendo fino al 100% di utilizzo dell'atomo, mentre solo gli atomi superficiali delle nanoparticelle sono disponibili per la reazione. Tuttavia, a causa della semplicità del centro dell'atomo di metallo singolo, è piuttosto difficile apportare ulteriori modifiche ai catalizzatori per eseguire complesse reazioni multifase.
Il modo più semplice per modificare i singoli atomi è trasformarli in dimeri a singolo atomo, che combinano insieme due diversi singoli atomi. L'ottimizzazione del sito attivo dei catalizzatori a singolo atomo con i dimeri può migliorare la cinetica di reazione grazie all'effetto sinergico tra due atomi diversi. Tuttavia, mentre la sintesi e l'identificazione della struttura del dimero a singolo atomo erano note concettualmente, la sua realizzazione pratica è stata molto difficile.
Questo problema è stato affrontato da un gruppo di ricerca guidato dal Direttore Associato LEE Hyoyoung del Center for Integrated Nanostructure Physics all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) situato presso la Sungkyunkwan University. Il team di ricerca IBS ha sviluppato con successo una struttura di dimero Ni-Co disperso atomicamente stabilizzato su un supporto di carbonio drogato con azoto, che è stato chiamato NiCo-SAD-NC.
"Abbiamo sintetizzato la struttura del dimero di un singolo atomo di Ni-Co su supporto di carbonio drogato con azoto (N) tramite l'intrappolamento in situ di ioni Ni/Co nella sfera di polidopamina, seguito da pirolisi con coordinazione N controllata con precisione. Abbiamo impiegato lo stato di - microscopia elettronica a trasmissione all'avanguardia e spettroscopia di assorbimento di raggi X per identificare con successo questi siti NiCo-SAD con precisione atomica", afferma Ashwani Kumar, il primo autore dello studio.
Il diagramma schematico del processo di reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) utilizzando NiCo-SAD stabilizzato su carbonio drogato con N (a sinistra). Attività di HER in mezzi alcalini (in alto a destra) e acidi (in basso a destra). Credito:Istituto per le scienze di base
I ricercatori hanno scoperto che la ricottura per due ore a 800°C in atmosfera di argon era la condizione migliore per ottenere la struttura del dimero. Anche altri dimeri di un singolo atomo, come CoMn e CoFe potrebbero essere sintetizzati utilizzando lo stesso metodo, il che dimostra la generalità della loro strategia.
Il team di ricerca ha valutato l'efficienza catalitica di questo nuovo sistema in termini di sovrapotenziale richiesto per guidare la reazione di evoluzione dell'idrogeno. L'elettrocatalizzatore NiCo-SAD-NC aveva un livello di sovratensione paragonabile a quello dei catalizzatori commerciali a base di Pt in mezzi acidi e alcalini. NiCo-SAD-NC ha anche mostrato un'attività otto volte superiore rispetto ai catalizzatori a atomo singolo Ni/Co e alle nanoparticelle NiCo eterogenee in mezzi alcalini. Allo stesso tempo, ha ottenuto un'attività 17 e 11 volte superiore rispetto ai catalizzatori a singolo atomo di Co e Ni, rispettivamente, e 13 volte superiore rispetto alle nanoparticelle Ni/Co convenzionali in mezzi acidi.
Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato la stabilità a lungo termine del nuovo catalizzatore, che è stato in grado di guidare la reazione per 50 ore senza alcun cambiamento di struttura. Il NiCo-SAD ha mostrato una dissociazione dell'acqua superiore e un adsorbimento protonico ottimale rispetto ad altri dimeri di un singolo atomo e siti di un singolo atomo di Ni/Co, aumentando l'attività del catalizzatore del pH universale in base alla simulazione della teoria del funzionale della densità.
"Siamo stati molto entusiasti di scoprire che la nuova struttura NiCo-SAD dissocia le molecole d'acqua con una barriera energetica molto più bassa e accelera la reazione di evoluzione dell'idrogeno sia in mezzi alcalini che acidi con prestazioni paragonabili a quelle del Pt, che ha affrontato le carenze dell'individuo Ni e catalizzatori a singolo atomo di Co. La sintesi di tale struttura di dimero a singolo atomo è stata una sfida di lunga data nel campo dei catalizzatori a singolo atomo", osserva il direttore associato Lee, l'autore corrispondente dello studio.
Spiega inoltre:"Questo studio ci porta un passo avanti verso un'economia di idrogeno verde e priva di emissioni di carbonio. Questo elettrocatalizzatore di generazione di idrogeno altamente efficiente ed economico ci aiuterà a superare le sfide a lungo termine della produzione di idrogeno verde competitiva in termini di costi:produrre idrogeno puro per applicazioni commerciali a basso prezzo e in modo ecologico."
Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
