Catalizzatori auto-ottimizzanti per la scissione dell'acqua per la produzione di idrogeno verde
Convertitori catalitici economici ed efficienti le cui prestazioni aumentano sorprendentemente nel tempo
L'idrogeno è un'opzione molto discussa sulla via della generazione di energia a zero emissioni di CO₂. L'elettricità proveniente da fonti rinnovabili - principalmente energia eolica e solare - viene utilizzata negli elettrolizzatori per scomporre l'acqua nei suoi componenti ossigeno e idrogeno immagazzinabile. I catalizzatori sono essenziali per avviare questa reazione. Finora sono stati utilizzati ossidi di metalli preziosi come il biossido di rutenio e il biossido di iridio, ma sono scarsi e costosi e si decompongono facilmente in ambienti acidi e alcalini.
La dottoressa Dandan Gao, leader del gruppo di ricerca junior e borsista DFG Walter Benjamin presso l'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU), e il suo team hanno quindi sviluppato un catalizzatore alternativo: Utilizzando cobalto e tungsteno, si tratta di materiali facilmente accessibili e a basso costo. "La particolarità è che mentre i catalizzatori convenzionali mantengono le loro prestazioni - o addirittura ne perdono alcune perché non sono abbastanza stabili - il nostro catalizzatore aumenta le sue prestazioni nel tempo", spiega Dandan Gao. "Dopo l'ottimizzazione, l'attività è addirittura superiore a quella dei catalizzatori convenzionali". I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie.
Le ragioni dell'auto-ottimizzazione
Ma qual è la ragione di questa straordinaria auto-ottimizzazione? Per rispondere a questa domanda, gli scienziati hanno condotto indagini sia sperimentali che teoriche. Tra le altre cose, hanno scoperto che la natura chimica dell'ossido di cobalto-tungsteno catalizzatore cambia in seguito alla scissione dell'acqua: Mentre il cobalto era inizialmente presente soprattutto come Co²⁺, si è trasformato sempre più in Co³⁺, e anche il rapporto tra W⁵⁺ e W⁶⁺ si è spostato per il tungsteno. "Quando l'idrogeno viene scisso, avvengono due reazioni: la reazione dell'idrogeno e la reazione dell'ossigeno. La reazione dell'ossigeno è il collo di bottiglia della reazione complessiva, motivo per cui siamo motivati a sviluppare un catalizzatore avanzato", spiega Gao.
Mentre la reazione dell'ossigeno è inizialmente guidata dal sito attivo del tungsteno, col tempo si sposta verso il sito attivo del cobalto - la superficie attiva del catalizzatore aumenta anche grazie alla scissione dell'acqua. Si osservano cambiamenti anche nell'idrofilia della superficie: Diventa più amante dell'acqua, il che è ovviamente estremamente utile per la scissione elettrochimica dell'acqua. "Nel complesso, possiamo osservare una significativa riduzione delle sovratensioni e un aumento delle densità di corrente, accompagnati da un notevole incremento della cinetica di reazione dell'evoluzione dell'ossigeno", riassume Gao. Una buona notizia per la produzione di idrogeno del futuro.
Finanziamento dal Programma Walter Benjamin della DFG
Dandan Gao è stato finanziato dal programma Walter Benjamin della Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) dal giugno 2023. Questo programma consente agli scienziati nella fase di qualificazione dopo il dottorato di svolgere un progetto di ricerca indipendente in una sede di loro scelta. L'istituto di ricerca ospitante, in questo caso l'Università di Magonza, sostiene il progetto.
Il lavoro di ricerca ora pubblicato è stato sostenuto anche dalla Fondazione Carl Zeiss, dalla Fondazione Alexander von Humboldt e dall'area di profilo della JGU SusInnoScience, abbreviazione di "Sustainable chemistry as the key to innovation in resource-efficient science in the Anthropocene".
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Pubblicazione originale
Christean Nickel, David Leander Troglauer, Zsolt Dallos, Dhouha Abid, Kevin Sowa, Magdalena Ola Cichocka, Ute Kolb, Boris Mashtakov, Bahareh Feizi Mohazzab, Shikang Han, Leon Prädel, Lijie Ci, Deping Li, Xiaohang Lin, Minghao Hua, Rongji Liu, Dandan Gao; "Self‐optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-2-12
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