I ricercatori segnalano che i difetti intenzionali migliorano le reazioni

Un difetto non è sempre una cosa negativa. In effetti, quando si tratta di migliorare il processo di elettrocatalisi che produce gas idrogeno a combustione pulita, potrebbe essere un’ottima cosa. Alcuni ricercatori con sede in Cina hanno progettato un elettrocatalizzatore – che accelera la reazione desiderata – con architetture sia amorfe che cristalline che contengono difetti nella struttura atomica. I difetti consentono all'elettrocatalizzatore di innescare un'attività di reazione "superiore", ha riferito il team.

Hanno pubblicato i loro risultati il ​​15 maggio su Nano Research Energy.

"La generazione di idrogeno dall'elettrolisi dell'acqua - o l'uso della corrente elettrica per dividere l'acqua e separare l'idrogeno dall'ossigeno - guidata dalle energie rinnovabili è una tecnologia promettente per mitigare e risolvere la crisi energetica e ambientale", ha affermato Cuiling Li, professore dell'Accademia cinese. delle Scienze, Istituto Tecnico di Fisica e Chimica, che è anche affiliato al Beijing Institute of Technology e al Binzhou Institute of Technology.

La reazione di evoluzione dell'ossigeno è la reazione anodica dell'elettrolisi dell'acqua, in cui la corrente continua provoca una reazione chimica che divide le molecole di ossigeno dalle molecole d'acqua. Tuttavia, Li ha definito questa reazione “un processo lento” e limita l’elettrolisi dell’acqua come meccanismo sostenibile per produrre gas idrogeno. Secondo Li, la reazione di evoluzione dell’ossigeno è lenta perché richiede molta potenza per innescare il modo in cui le molecole trasferiscono i loro costituenti, ma potrebbe essere accelerata con meno potenza se integrata con catalizzatori più efficienti.

"Sfruttare elettrocatalizzatori efficienti per la reazione di evoluzione dell'ossigeno è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi elettrochimici per la conversione di energia pulita", ha affermato Li.

I ricercatori si sono rivolti all'ossido di rutenio, un catalizzatore a basso costo che aderisce meno ai reagenti e agli intermedi rispetto ad altri catalizzatori.

"Sono stati segnalati nanomateriali a base di ossido di rutenio con migliori prestazioni di reazione all'evoluzione dell'ossigeno rispetto ai prodotti commerciali, mentre strategie di progettazione di elettrocatalizzatori più sofisticate per evocare prestazioni catalitiche più efficienti sono urgentemente necessarie e in gran parte inesplorate", ha affermato Li.

Per colmare questa lacuna, i ricercatori hanno sintetizzato particelle porose di ossido di rutenio. Hanno poi trattato le particelle per produrre eterofasi regolate razionalmente, il che significa che le particelle contengono diverse architetture integrate insieme. Secondo Li, la struttura porosa ed eterofasica fornisce i difetti – essenzialmente intaccature nella struttura atomica – che consentono a più siti attivi affinché la reazione di evoluzione dell’ossigeno proceda con maggiore efficienza.

"Traendo vantaggio dagli abbondanti difetti, dai confini cristallini e dall'accessibilità del sito attivo dei campioni risultanti, sono state dimostrate prestazioni superiori della reazione di evoluzione dell'ossigeno", ha affermato Li, spiegando che gli elettrocatalizzatori ingegnerizzati non solo producono una migliore reazione di evoluzione dell'ossigeno, ma lo fanno anche con meno energia elettrica che alimenta il processo. "Questo studio dimostra l'importanza dell'ingegneria di fase e fornisce un nuovo percorso per la progettazione e la sintesi di catalizzatori che combinano strategie".

Altri contributori sono Chengming Wang, Qinghong Geng, Longlong Fan, Jun-Xuan Li e Lian Ma, tutti con il Laboratorio Chiave di Scienze dei Cluster, Ministero dell'Istruzione, Laboratorio Chiave di Pechino di Materiali di Conversione Fotoelettronici/Elettrofonici, Scuola di Chimica e Ingegneria Chimica, Istituto di tecnologia di Pechino.

Il Centro di analisi e test dell'Istituto di tecnologia di Pechino ha fornito supporto tecnico per questa ricerca.

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