In futuro, in un sistema energetico a impatto climatico zero, l’idrogeno sarà necessario per immagazzinare energia, come combustibile e come materia prima per l’industria chimica. Idealmente, dovrebbe essere prodotto in modo climaticamente neutro, utilizzando l’elettricità generata sfruttando l’energia solare o eolica, attraverso l’elettrolisi dell’acqua. A tale riguardo, l’elettrolisi dell’acqua con membrana a scambio protonico (PEM-WE) è attualmente considerata una tecnologia chiave. Entrambi gli elettrodi sono rivestiti con speciali elettrocatalizzatori per accelerare la reazione desiderata. I catalizzatori a base di iridio sono più adatti per l’anodo, dove avviene la lenta reazione di evoluzione dell’ossigeno. Tuttavia, l’iridio è uno degli elementi più rari sulla terra e una delle maggiori sfide è ridurre significativamente la domanda di questo metallo prezioso. Un’analisi approssimativa ha dimostrato che per soddisfare la domanda mondiale di idrogeno per i trasporti utilizzando la tecnologia PEM-WE, i materiali anodici a base di iridio non dovrebbero contenere più di 0,05 mgIo/cm2. L’attuale miglior catalizzatore disponibile in commercio a base di ossido di iridio ne contiene circa 40 volte rispetto a questo valore target.
Il catalizzatore P2X necessita di meno iridio
Ma nuove opzioni sono già in cantiere: nell’ambito del progetto Kopernikus P2X, il gruppo Heraeus ha sviluppato un nuovo efficiente nanocatalizzatore a base di iridio, costituito da un sottile strato di ossido di iridio depositato su un supporto nanostrutturato di biossido di titanio. Il cosiddetto “catalizzatore P2X” richiede solo una quantità estremamente piccola di iridio, riducendo sostanzialmente il carico di metallo prezioso (quattro volte inferiore rispetto al miglior materiale commerciale attuale).
Un team dell’HZB guidato dal Dr. Raul Garcia-Diez e dal Prof. Dr.-Ing. Marcus Bär, insieme ai colleghi del sincrotrone ALBA di Barcellona, hanno studiato il catalizzatore P2X, che mostra notevole stabilità anche nel funzionamento a lungo termine, e hanno confrontato la sua firma catalitica e spettroscopica con il catalizzatore cristallino commerciale di riferimento.
Misure operando a BESSY II
Il team HZB ha studiato a fondo il catalizzatore di riferimento commerciale e il catalizzatore P2X presso BESSY II durante l’elettrolisi dell’acqua (operando misurazioni). “Volevamo osservare come i due diversi materiali catalitici cambiano strutturalmente ed elettronicamente durante la reazione elettrochimica di evoluzione dell’ossigeno operando Ir L3-spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS)”, afferma Marianne van der Merwe, una ricercatrice del team di Bär. Hanno anche sviluppato un nuovo protocollo sperimentale per garantire che i risultati siano misurati in entrambi i campioni esattamente allo stesso tasso di produzione di ossigeno. Questo ha permesso di confrontare i due catalizzatori in condizioni equivalenti.
Diversi ambienti chimici esplorati
“Dai dati di misurazione, siamo stati in grado di concludere che i meccanismi per l’OER nelle due classi di catalizzatori di ossido di iridio sono diversi, e questo è guidato dai diversi ambienti chimici dei due materiali”, afferma van der Merwe. I dati di misurazione mostrano anche perché il catalizzatore P2X offre prestazioni ancora migliori rispetto al suo benchmark più cristallino: nel campione P2X, le lunghezze dei legami tra iridio e ossigeno diminuiscono significativamente più che nel catalizzatore di riferimento ai potenziali rilevanti OER. Questa riduzione della lunghezza dei legami Ir-O può essere associata alla partecipazione di ambienti difettosi che si propone siano attori chiave nei percorsi altamente attivi della reazione di evoluzione dell’ossigeno.
“Inoltre, le osservazioni dello stato elettronico sono correlate anche con le informazioni geometriche locali”, sottolinea van der Merwe. “Il nostro lavoro fornisce preziose informazioni chiave sui diversi meccanismi degli elettrocatalizzatori a base di ossido di iridio durante la reazione di evoluzione dell’ossigeno e approfondisce la nostra comprensione delle prestazioni e della stabilità del catalizzatore, mentre il nostro approccio al protocollo elettrochimico spettroscopico in situ recentemente proposto è generalmente applicabile a tutti i materiali anodici studiati alle condizioni OER pertinenti.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
