Se non controllata, la corrosione può arrugginire automobili e tubi, abbattere edifici e ponti e corrodere i nostri monumenti. La corrosione può anche danneggiare dispositivi che potrebbero essere fondamentali per un futuro di energia pulita. E ora, i ricercatori della Duke University hanno catturato primi piani estremi di questo processo in azione.
"Studiando come e perché i dispositivi a energia rinnovabile si rompono nel tempo, potremmo essere in grado di prolungarne la durata", ha affermato Ivan Moreno-Hernandez, professore di chimica e autore senior.
Nel suo laboratorio alla Duke si trova una versione in miniatura di uno di questi dispositivi. Chiamato elettrolizzatore, separa l'idrogeno dall'acqua, utilizzando l'elettricità per alimentare la reazione.
Quando l’elettricità per alimentare l’elettrolisi proviene da fonti rinnovabili come quella eolica o solare, il gas idrogeno che produce è considerato una fonte promettente di combustibile pulito, perché non richiede combustibili fossili per essere prodotto e brucia senza creare anidride carbonica che riscalda il pianeta. .
Numerosi paesi hanno in programma di aumentare la produzione del cosiddetto "idrogeno verde" per contribuire a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, in particolare in settori come quello dell'acciaio e del cemento.
Ma prima che l'idrogeno possa diventare mainstream, è necessario superare alcuni grossi ostacoli.
Parte del problema è che gli elettrolizzatori richiedono catalizzatori metallici rari per funzionare e questi sono soggetti a corrosione. Dopo un anno di attività non sono più gli stessi dell'inizio.
In uno studio pubblicato il 10 aprile sul Journal of American Chemical Society , Moreno-Hernandez e il suo dottorato di ricerca. lo studente Avery Vigil ha utilizzato una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione in fase liquida per studiare le complesse reazioni chimiche che avvengono tra questi catalizzatori e il loro ambiente che ne causano il decadimento.
Potresti ricordare dal liceo che per produrre idrogeno gassoso, un elettrolizzatore divide l'acqua nelle sue molecole costituenti di idrogeno e ossigeno. Per lo studio attuale, il team si è concentrato su un catalizzatore chiamato biossido di rutenio che accelera la metà della reazione contenente ossigeno, poiché questo è il collo di bottiglia del processo.
"Sostanzialmente sottoponiamo questi materiali a uno stress test", ha affermato Vigil.
Hanno colpito i nanocristalli di biossido di rutenio con radiazioni ad alta energia e poi hanno osservato i cambiamenti apportati dall'ambiente acido all'interno della cellula.
Per fotografare oggetti così piccoli, hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione, che spara un raggio di elettroni attraverso nanocristalli sospesi all'interno di una tasca super sottile di liquido per creare immagini time-lapse della chimica che avviene a 10 fotogrammi al secondo. /P>
Il risultato:primi piani degni di un desktop di cristalli delle dimensioni di un virus, più di mille volte più sottili di un capello umano, mentre si ossidano e si dissolvono nel liquido acido che li circonda.
"Siamo effettivamente in grado di osservare il processo di rottura di questo catalizzatore con una risoluzione su scala nanometrica", ha affermato Moreno-Hernandez.
Nel giro di cinque minuti, i cristalli si sono rotti abbastanza velocemente da "rendere inutilizzabile un vero dispositivo nel giro di poche ore", ha detto Vigil.
Ingrandendo centinaia di migliaia di volte, i video rivelano sottili difetti nelle forme 3D dei cristalli che creano aree di tensione, causando la rottura di alcuni più velocemente di altri.
Riducendo al minimo tali imperfezioni, i ricercatori affermano che un giorno potrebbe essere possibile progettare dispositivi di energia rinnovabile che durino da due a tre volte di più rispetto a quanto durano attualmente.
"Quindi, invece di essere stabile, diciamo, per due anni, un elettrolizzatore potrebbe durare sei anni. Ciò potrebbe avere un impatto enorme sulle tecnologie rinnovabili", ha affermato Moreno-Hernandez.
Ulteriori informazioni: S. Avery Vigil et al, Eterogeneità della dissoluzione osservata nei nanocristalli anisotropi di biossido di rutenio tramite microscopia elettronica a trasmissione in fase liquida, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c13709
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito dalla Duke University
