Dato che la domanda di energia continua ad aumentare, la ricerca su nuove ed efficienti fonti energetiche rinnovabili e pulite è una priorità urgente. Attualmente, le fonti di energia rinnovabile come quella solare, eolica, delle maree e geotermica rappresentano meno del 40% dell’attuale domanda di energia. Aumentare questa percentuale e ridurre la quantità di combustibili fossili utilizzati richiederà altre fonti di energia rinnovabile e pulita più efficienti.
L'idrogeno è un'alternativa promettente, ma attualmente viene prodotto utilizzando lo steam reforming, che è inefficiente e produce CO2 emissioni. La scissione elettrochimica dell'acqua, chiamata anche elettrolisi dell'acqua, può sfruttare i vantaggi dell'elettricità generata da fonti rinnovabili e rappresenta una potenziale soluzione efficiente per produrre idrogeno.
La scissione dell'acqua richiede una reazione chiamata reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER), ma i nanocatalizzatori coinvolti in questa HER non hanno dimensioni, composizione, struttura o ambiente di coordinazione chimica uniformi per migliorare l'efficienza e promuovere la comprensione dei meccanismi di reazione. La soluzione a questo problema potrebbe trovarsi in nanocluster d'oro atomicamente precisi.
In una revisione della letteratura pubblicata su Polyoxometalates il 19 agosto, i ricercatori riassumono il lavoro esistente che studia come i nanocluster d'oro possono migliorare le prestazioni catalitiche e promuovere HER.
"È estremamente difficile ottenere un catalizzatore modello con dimensioni assolutamente uniformi, configurazione geometrica definita e un ambiente chimico locale ben definito a livello anatomico per stabilire la relazione inequivocabile struttura-prestazioni a livello atomico. I nanocluster d'oro atomicamente precisi possono potenzialmente risolversi questi problemi", ha affermato Zhenghua Tang, ricercatore presso il New Energy Research Institute presso la South China University of Technology di Guangzhou, in Cina. "In particolare, i nanocluster d'oro hanno dimostrato straordinarie proprietà catalitiche in varie reazioni organiche e reazioni elettrocatalitiche."
Il nanocluster d'oro è particolarmente adatto a fungere da catalizzatore per HER per diversi motivi. A differenza di altri nanocatalizzatori, il nanocluster d'oro ha una nanostruttura precisa. Questa struttura precisa significa che tutti i nanocluster d'oro sono uniformi in termini di dimensioni, composizione, morfologia e ambiente chimico.
È anche utile per identificare i siti attivi per la catalisi HER. Le ricche reattività chimiche dei nanocluster d'oro consentono sia la personalizzazione del nucleo metallico che l'ingegnerizzazione dei ligandi superficiali. La personalizzazione del nucleo metallico avviene quando un altro metallo viene introdotto nel nanocluster d'oro, che forma un cluster di leghe d'oro. L’introduzione di un altro metallo può conferire nuove capacità catalitiche e ridurre i costi. Nell'ingegneria dei ligandi superficiali, l'ambiente chimico superficiale può essere messo a punto per esporre più siti attivi o modificare la struttura del nanocluster.
Infine, i nanocluster d'oro hanno altri pregi strutturali, come la dimensione ultrapiccola, che soddisfa il principio "piccolo è prezioso" nel campo della catalisi; la morfologia può essere sintonizzata e manipolata; robusta stabilità con struttura intatta conservata in varie reazioni in condizioni blande.
"I casi presentati in questa recensione mostrano chiaramente che le eccezionali proprietà catalitiche HER sono spesso mostrate a causa dei distinti vantaggi dei nanocluster d'oro rispetto alle nanoparticelle d'oro. Tuttavia, sono certamente presenti delle sfide nell'impiego di nanocluster d'oro per la catalisi HER", ha affermato Tang.
Alcune delle sfide comuni associate ai nanocluster d'oro sono la ricerca di una soluzione alla quantità di oro che sarebbe necessaria per ampliare l'uso di questi catalizzatori, problemi relativi al funzionamento dei nanocatalizzatori in condizioni difficili e modelli teorici imprecisi.
Guardando al futuro, i ricercatori stanno pianificando quali dovrebbero essere i prossimi passi nella ricerca sui nanocatalizzatori. Le strade suggerite includono il test dell'applicabilità del composito basato su cluster d'oro per altre reazioni accoppiate con HER e il miglioramento della conduttività elettrica del catalizzatore composito basato su cluster.
"A causa del rapido sviluppo delle tecniche sintetiche e della scienza della catalisi, prevediamo che maggiori sforzi di ricerca saranno dedicati all'utilizzo di nanocluster metallici atomicamente precisi come catalizzatori modello per varie reazioni elettrocatalitiche e oltre", ha affermato Tang.
Ulteriori informazioni: Xin Zhu et al, Nanocluster di Au atomicamente precisi per la catalisi elettrochimica dell'evoluzione dell'idrogeno:progressi e prospettive, Poliossometallati (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140031
Fornito dalla Tsinghua University Press
