L’energia dell’idrogeno è emersa come un’alternativa promettente ai combustibili fossili, offrendo una fonte di energia pulita e sostenibile. Tuttavia, lo sviluppo di catalizzatori efficienti e a basso costo per la reazione di evoluzione dell'idrogeno rimane una sfida.
Un gruppo di ricerca guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente sviluppato una nuova strategia per progettare catalizzatori di nanofogli ultrasottili stabili ed efficienti formando strutture di Turing con più cristalli nanogemelli. Questa scoperta innovativa apre la strada a prestazioni migliorate dei catalizzatori per la produzione di idrogeno verde.
L'articolo, intitolato "Strutturazione di Turing con più nanogemelli per ingegnerizzare catalizzatori efficienti e stabili per la reazione di evoluzione dell'idrogeno" è pubblicato su Nature Communications .
La produzione di idrogeno attraverso il processo di elettrolisi dell’acqua con emissioni nette di carbonio pari a zero è uno dei processi di produzione di idrogeno pulito. Mentre i nanomateriali a bassa dimensionalità con difetti controllabili o modifiche della deformazione sono emersi come elettrocatalizzatori attivi per la conversione e l'utilizzo dell'energia dell'idrogeno, l'insufficiente stabilità di questi materiali dovuta alla degradazione strutturale spontanea e al rilassamento della deformazione porta al degrado delle loro prestazioni catalitiche.
Per affrontare questo problema, un gruppo di ricerca guidato dal professor Lu Jian, preside della Facoltà di Ingegneria della CityU e direttore della filiale di Hong Kong del Centro nazionale di ricerca sull'ingegneria dei materiali in metalli preziosi, ha recentemente sviluppato una strategia pionieristica di strutturazione di Turing che non solo attiva ma stabilizza anche i catalizzatori attraverso l'introduzione di cristalli nanogemelli ad alta densità. Questo approccio risolve efficacemente il problema dell'instabilità associato ai materiali a bassa dimensionalità nei sistemi catalitici, consentendo una produzione di idrogeno efficiente e duratura.
I modelli di Turing, noti come modelli stazionari spaziotemporali, sono ampiamente osservati nei sistemi biologici e chimici, come la colorazione regolare della superficie delle conchiglie. Il meccanismo di formazione di questi pattern è legato alla teoria della reazione-diffusione proposta da Alan Turing, un famoso matematico inglese considerato uno dei padri dell'informatica moderna, in cui l'attivatore con un coefficiente di diffusione più piccolo induce una crescita preferenziale locale.
"Nella ricerca precedente, la fabbricazione di materiali a bassa dimensionalità si è concentrata principalmente sui controlli strutturali per scopi funzionali, con poche considerazioni sui controlli spaziotemporali", ha affermato il professor Lu.
"Tuttavia, i modelli di Turing nei nanomateriali possono essere ottenuti mediante la crescita anisotropa dei nanograni dei materiali. Tale simmetria reticolare rotta ha implicazioni cristallografiche cruciali per la crescita di configurazioni specifiche, come materiali bidimensionali (2D) con gemellaggio e rottura intrinseca simmetria. Quindi volevamo esplorare l'applicazione della teoria di Turing sulla crescita dei nanocatalizzatori e le relazioni con i difetti cristallografici."
In questa ricerca, il team ha utilizzato un approccio in due fasi per creare nanofogli supersottili di platino-nichel-niobio (PtNiNb) con strisce che assomigliano topologicamente ai modelli di Turing. Queste strutture di Turing su nanofogli si sono formate attraverso l'attacco di orientamento vincolato dei nanograni, risultando in una rete nanogemella intrinsecamente stabile e ad alta densità che ha agito come stabilizzatori strutturali che hanno impedito il degrado strutturale spontaneo e il rilassamento della deformazione.
Inoltre, i modelli di Turing hanno generato effetti di tensione reticolare che riducono la barriera energetica della dissociazione dell’acqua e ottimizzano l’energia libera di adsorbimento dell’idrogeno per la reazione di evoluzione dell’idrogeno, migliorando l’attività dei catalizzatori e fornendo una stabilità eccezionale. La superficie della struttura di Turing su scala nanometrica presenta un gran numero di interfacce gemelle, rendendola anche un materiale eccezionalmente adatto per applicazioni dominate dalle interfacce, in particolare la catalisi elettrochimica.
Negli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato il potenziale del nanocatalizzatore Turing PtNiNb di recente invenzione come catalizzatore stabile per l'evoluzione dell'idrogeno con un'efficienza eccezionale. Ha ottenuto aumenti dell’attività di massa e dell’indice di stabilità rispettivamente di 23,5 e 3,1 volte, rispetto al Pt/C commerciale al 20%. Elettrolizzatore ad acqua con membrana a scambio anionico basato su Turing PtNiNb con un basso carico di massa di platino (Pt) di 0,05 mg cm −2 era anche estremamente affidabile, poiché poteva raggiungere 500 ore di stabilità a 1.000 mAcm −2 .
"I nostri risultati chiave forniscono preziose informazioni sull'attivazione e la stabilizzazione dei materiali catalitici di piccole dimensioni. Presentano un nuovo paradigma per migliorare le prestazioni del catalizzatore", ha affermato il professor Lu. "La strategia di ottimizzazione della struttura di Turing non solo affronta il problema del degrado della stabilità nei materiali a bassa dimensionalità, ma funge anche da approccio versatile all'ottimizzazione dei materiali applicabile ad altri sistemi di lega e catalitici, migliorando in definitiva le prestazioni catalitiche."
Ulteriori informazioni: Jialun Gu et al, Strutturazione di Turing con più nanogemelli per progettare catalizzatori efficienti e stabili per la reazione di evoluzione dell'idrogeno, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40972-w
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla City University of Hong Kong
