È in corso una lotta costante per ridurre le fonti energetiche basate sul carbonio e sostituirle con alternative a basso o nullo contenuto di carbonio. Il processo di scissione dell'acqua potrebbe essere la soluzione.
La produzione di idrogeno è un metodo semplice, sicuro ed efficace per produrre più energia di quella che può produrre la benzina mediante il semplice processo di scissione dell’acqua. Raccogliere energia in questo modo, invece di fare molto affidamento (o del tutto) su fonti energetiche basate sul carbonio, sta diventando sempre più lo standard. I ricercatori hanno trovato un metodo per utilizzare solfuri di metalli di transizione, come stagno (Sn), cobalto (Co) e ferro (Fe) su schiuma di nichel, per sviluppare elettrocatalizzatori di metalli non preziosi da utilizzare nella scissione dell'acqua economicamente vantaggiosa e rispettosa dell'ambiente.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Nano Research Energy .
Per avere successo in questa impresa di riduzione del carbonio, alcune reazioni devono essere stabilizzate per questo processo. La stella dello studio è FeSnCo0,2 Sx Osì /NF, che può fungere sia da anodo che da catodo nel processo di scissione dell'acqua a bassa tensione.
Le due reazioni che preoccupano qui sono le reazioni di evoluzione dell'ossigeno (OER) e le reazioni di evoluzione dell'idrogeno (HER). OER genera O2 tramite una reazione chimica dell'acqua. LEI produce H2 da una reazione di trasferimento di due elettroni. Il risultante H2 è utile come combustibile. L'utilizzo di entrambe queste reazioni è ideale per creare un elettrocatalizzatore bifunzionale. Gli elettrocatalizzatori possono essere definiti come catalizzatori (o avviatori di reazione) che funzionano sulle superfici degli elettrodi, che sono superfici che possono trasportare una corrente elettrica.
HER si è dimostrato stabile a 55 ore di uso continuo e richiede inoltre un sovrapotenziale inferiore rispetto a OER. Il sovrapotenziale è la differenza nella quantità di energia necessaria affinché un dato catalizzatore funzioni.
Sfortunatamente, la stabilità delle OER non è dove dovrebbe essere. Ciò è dovuto in parte al passaggio aggiuntivo coinvolto nel trasferimento di elettroni, ma anche al fatto che gli elettroliti sotto cui funzionano sono tipicamente aggressivi. Sebbene l'OER sia stabile con un uso continuo di circa 70 ore, la sua attività diminuisce con un maggiore contenuto di cobalto.
"È fondamentale migliorare la stabilità OER dei solfuri dei metalli di transizione in modo che possano essere utilizzati come catalizzatori bifunzionali HER e OER per celle a combustibile reversibili a idrogeno", ha affermato Jingqi Guan, autore e ricercatore dello studio.
OER ha anche un sovrapotenziale maggiore di HER. Con una maggiore quantità di energia necessaria per indurre il catalizzatore a funzionare, l'OER può essere più "difficile". Tuttavia, la combinazione di ferro, stagno e cobalto sulla schiuma di nichel vanta alcuni miglioramenti nella stabilità bifunzionale e nell'attività sia HER che OER.
La combinazione di questi metalli e le interfacce eterostrutturali formate possono regolare la distribuzione degli elettroni sulla superficie dell'elettrolita. "Eterostrutturale" qui si riferisce a un semiconduttore che può avere una composizione chimica alterata in base alla posizione in cui si trovano le due sostanze chimiche. In questo caso, si tratta di una coppia solfuro/ossiidrossido.
Una distribuzione uniforme degli elettroni aiuta ad aumentare la velocità di trasferimento della carica nell'intera struttura, che quindi favorisce il trasferimento degli elettroni. A causa della natura di questo semiconduttore, l'aumento della stabilità migliorerebbe naturalmente l'attività e la funzione complessive.
Nel complesso, questi metalli di transizione hanno un effetto sinergico tra loro, soprattutto quando sottoposti a HER. Questo effetto li rende candidati ideali per la principale sfida proposta dai ricercatori:ridurre le fonti energetiche basate sul carbonio.
Sebbene i risultati siano stati molto promettenti, ci sono sempre dei passi da compiere in futuro per perfezionare un processo. Trovare un catalizzatore che riduca al minimo le sovrapotenziali può ridurre l'apporto energetico necessario per catalizzare la reazione. Inoltre, garantire che gli elettrocatalizzatori sviluppati siano sufficientemente durevoli da poter essere utilizzati a livello commerciale e possano resistere a lunghe ore di utilizzo continuo senza effetti negativi è fondamentale per il successo a lungo termine delle interfacce eterostrutturali.
Ulteriori informazioni: Siyu Chen et al, Ingegneria dell'interfaccia dell'elettrocatalizzatore eterostrutturale solfuro di Fe-Sn-Co/ossiidrossido per la scissione sinergica dell'acqua, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120106
Fornito dalla Tsinghua University Press
