La produzione efficiente ed a basso costo di idrogeno rappresenta un passo importante verso lo sviluppo di fonti energetiche alternative e pulite. La scissione elettrochimica dell’acqua, che divide l’acqua nei suoi elementi idrogeno e ossigeno utilizzando un elettrocatalizzatore, è un’opzione praticabile per la produzione di idrogeno. Tradizionalmente, i catalizzatori si basavano su elementi costosi come il platino, il che rende difficile l'applicazione di questa tecnologia su larga scala commerciale.

In un articolo pubblicato di recente, i ricercatori hanno dimostrato come l'aggiunta di molibdeno a un catalizzatore di fosfuro di nichel-cobalto e la sua sintesi con un processo idrotermale a gradiente, in cui il catalizzatore viene riscaldato a 100 gradi, 150 gradi e quindi a 180 gradi Celsius in 10 ore, ha creato una microstruttura unica che ha migliorato le prestazioni del catalizzatore, con conseguente produzione di idrogeno che potrebbe essere più applicabile alla produzione di idrogeno su larga scala.

L'articolo è stato pubblicato su Nano Research .

"L'innovativa combinazione di processi idrotermali a gradiente e di fosfurazione forma una struttura a microsfera", ha affermato Yufeng Zhao, professore presso il College of Sciences &Institute for Sustainable Energy presso l'Università di Shanghai a Shanghai, in Cina.

"Queste nanoparticelle con un diametro di circa 5-10 nanometri formano nanoaghi, che successivamente si autoassemblano in una struttura sferica. I nanoaghi offrono abbondanti siti attivi per un efficiente trasferimento di elettroni e la presenza di particelle di piccole dimensioni e rugosità su microscala migliora la rilascio di bolle di idrogeno."

Per creare questa microstruttura unica, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata drogaggio degli elementi. Il drogaggio degli elementi è l'aggiunta intenzionale di impurità a un catalizzatore per migliorarne l'attività. In questo studio, il molibdeno (Mo) è stato aggiunto al fosfuro bimetallico di nichel-cobalto (Ni-Co) (P).

I fosfuri Ni-Co hanno già prestazioni elettrocatalitiche eccezionali grazie al modo in cui interagiscono gli ioni di cobalto e nichel. Dopo aver aggiunto il molibdeno e quindi utilizzando un processo idrotermale a gradiente, il Ni-CoP drogato con Mo è stato depositato su una schiuma di nichel. Dopo questo processo, sul fosfuro si è formata la microstruttura unica dei nanoaghi.

"Il doping con tracce di molibdeno ottimizza la struttura elettronica e aumenta il numero di siti elettroattivi", ha affermato Zhao. Il catalizzatore Ni-CoP drogato con Mo è stato testato per verificarne affidabilità, stabilità e prestazioni. La sua densità è rimasta quasi costante dopo 100 ore e la sua struttura era ben mantenuta, grazie in parte alla struttura unica dei nanoaghi, che impediscono al catalizzatore di collassare quando l'idrogeno si accumula. I calcoli hanno anche dimostrato che il catalizzatore al fosfuro era eccezionalmente efficiente.

Guardando al futuro, i ricercatori sperano di testare le prestazioni della reazione in diverse soluzioni, come soluzioni acide e neutre. Gli studi futuri esamineranno anche le alternative alla schiuma di nichel, come la rete di titanio, che può funzionare in tutto l’intervallo di pH. "Nel lavoro futuro, raccomandiamo di esplorare l'applicazione del catalizzatore nella produzione di idrogeno assistita dall'ossidazione di piccole molecole, come l'urea. Questo approccio ridurrebbe il sovrapotenziale dell'elettrolisi dell'acqua e mitigherebbe l'inquinamento ambientale causato dalle acque reflue dell'urea", ha affermato Zhao.

Ulteriori informazioni: Chengyu Huang et al, Elettrocatalizzatore altamente efficiente e stabile per l'evoluzione dell'idrogeno mediante nanoaghi di fosfuro Ni-Co drogati con molibdeno ad alta densità di corrente, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5892-7

Informazioni sul giornale: Ricerca sulla nanotecnologia

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