Idrogeno verde: un materiale strutturato a gabbia si trasforma in un catalizzatore performante
Scoperta una classe di materiali molto interessante per gli elettrocatalizzatori?
I clatrati sono caratterizzati da una complessa struttura a gabbia che offre spazio anche agli ioni ospiti. Ora, per la prima volta, un team ha studiato l'idoneità dei clatrati come catalizzatori per la produzione di idrogeno per via elettrolitica con risultati impressionanti: il campione di clatrati è risultato ancora più efficiente e robusto dei catalizzatori a base di nichel attualmente utilizzati. I ricercatori hanno anche trovato il motivo di questo miglioramento delle prestazioni. Le misurazioni effettuate al BESSY II hanno dimostrato che i clatrati subiscono cambiamenti strutturali durante la reazione catalitica: la struttura tridimensionale a gabbia decade in nanoschede ultrasottili che consentono il massimo contatto con i centri catalitici attivi. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista "Angewandte Chemie".
L'idrogeno può essere prodotto tramite elettrolisi dell'acqua. Se l'energia elettrica necessaria per questo processo proviene da fonti rinnovabili, l'idrogeno è addirittura neutro dal punto di vista del carbonio. Questo idrogeno "verde" è considerato un importante elemento costitutivo del sistema energetico del futuro ed è anche necessario in grandi quantità come materia prima per l'industria chimica. Due reazioni sono fondamentali nell'elettrolisi: l'evoluzione dell'idrogeno al catodo e l'evoluzione dell'ossigeno all'anodo (OER). Tuttavia, la reazione di evoluzione dell'ossigeno in particolare rallenta il processo desiderato. Per accelerare la produzione di idrogeno, è necessario sviluppare catalizzatori più efficienti e robusti per il processo OER.
Clatrati, una struttura costituita da gabbie
Attualmente, i composti a base di nichel sono considerati catalizzatori buoni e poco costosi per la reazione di evoluzione dell'ossigeno alcalino. È qui che entrano in gioco il dottor Prashanth Menezes e il suo team. Il contatto tra i centri attivi di nichel e l'elettrolita gioca un ruolo cruciale nell'efficienza di un catalizzatore", spiega il chimico. Nei composti di nichel convenzionali, questa superficie è limitata. Volevamo quindi verificare se i campioni contenenti nichel dell'affascinante classe di materiali noti come clatrati potessero essere utilizzati come catalizzatori".
I materiali sono costituiti da Ba8Ni6Ge40 e sono stati prodotti presso l'Università Tecnica di Monaco. Come tutti i clatrati, sono caratterizzati da una complessa struttura cristallina di gabbie poliedriche, in questo caso formate da germanio e nichel, che racchiudono il bario. Questa struttura conferisce ai clatrati proprietà speciali che li rendono interessanti come termoelettrici, superconduttori o elettrodi per batterie. Tuttavia, finora nessun gruppo di ricerca aveva pensato di studiare i clatrati come elettrocatalizzatori.
Esperimenti nelle università e BESSY II
Le misure elettrochimiche hanno dimostrato che il Ba₈Ni₆Ge₄₀ come catalizzatore ha superato l'efficienza dei catalizzatori a base di nichel a una densità di corrente di 550 mA cm-², un valore utilizzato anche nell'elettrolisi industriale. Anche la stabilità è stata notevolmente elevata: anche dopo 10 giorni di funzionamento continuo, l'attività non è diminuita in modo significativo.
Il team ha utilizzato una combinazione di esperimenti per scoprire perché il materiale è così straordinariamente adatto. Al BESSY II hanno studiato i campioni utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) in situ, mentre la caratterizzazione strutturale di base è stata effettuata alla Freie e alla Technische Universität di Berlino.
Dalla gabbia alla spugna
L'analisi ha mostrato che le particelle di Ba8Ni6Ge40 nell'elettrolita acquoso subiscono una trasformazione strutturale sotto l'effetto di un campo elettrico: gli atomi di germanio e bario si dissolvono dalla precedente struttura tridimensionale. Gli atomi di germanio e bario costituiscono quasi il 90% del materiale di partenza del clatrati e vengono completamente lavati via, lasciando dietro di sé nanostrati altamente porosi e simili a spugne del restante 10% di nichel, che offrono una superficie massima", spiega il dottor Niklas Hausmann del team di Menezes. Questa trasformazione porta sempre più centri di nichel cataliticamente attivi a contatto con l'elettrolita.
Siamo rimasti sorpresi dall'efficacia di questi campioni come catalizzatori OER. Ci aspettiamo di poter osservare risultati simili con altri clatrati di metalli di transizione e di aver scoperto una classe di materiali molto interessante per gli elettrocatalizzatori", afferma Menezes.
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Pubblicazione originale
Ziliang Chen, Hongyuan Yang, J. Niklas Hausmann, Stefan Mebs, Viktor Hlukhyy, Holger Dau, Matthias Driess, Prashanth W. Menezes; "Ba‐Ni‐Ge Clathrate Transformation Maximizes Active Site Utilization of Nickel for Enhanced Oxygen Evolution Performance"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-3-26
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