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I nanocatalizzatori d’argento hanno mostrato un comportamento che nessuno aveva ancora documentato: cambiano il punto in cui avviene la reazione chiave a seconda di come sta lavorando la cella in cui sono inseriti. Se il dispositivo produce elettricità, l’azione si concentra sul bordo di contatto tra particella ed elettrodo. Se invece sta scindendo l’acqua per ottenere idrogeno, il lavoro si sposta sulla superficie della particella stessa. Un dettaglio apparentemente minuscolo che però riscrive il modo di progettare questi sistemi.
Il risultato arriva da un gruppo guidato dai professori WooChul Jung e Jeong Woo Han del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Seoul National University, insieme al team del professor Sang Ouk Kim del KAIST e a quello del dottor Beomgyun Jeong del Korea Basic Science Institute. Lo studio è stato pubblicato su Energy & Environmental Science e selezionato come articolo di copertina posteriore, segnale del peso che la comunità scientifica gli attribuisce.
Cosa sono le celle a ossido solido e perché contano
Le celle a ossido solido funzionano spostando ioni di ossigeno attraverso un materiale solido e possono fare due cose molto diverse: generare corrente elettrica oppure separare l’acqua per produrre idrogeno. Questa doppia natura le rende interessanti per gli edifici e gli impianti industriali, dove sistemi di cogenerazione distribuita possono sfruttare sia l’elettricità sia il calore ad alta temperatura prodotto durante il funzionamento. Sul fronte dell’idrogeno verde, invece, il vantaggio sta nella possibilità di alimentare l’elettrolisi con energia rinnovabile.
Il collo di bottiglia è sempre stato lo stesso: la velocità con cui l’ossigeno reagisce all’elettrodo ad aria. Da quella velocità dipendono prestazioni e durata. Il problema è che gli elettrodi reali hanno strutture disordinate e complicate, quindi capire dove esattamente entrano in gioco le nanoparticelle metalliche era rimasto un rebus. Si sapeva che aiutavano, non si sapeva come.
Un elettrodo modello per vedere finalmente dove accade tutto
Per aggirare l’ostacolo, i ricercatori hanno costruito un elettrodo modello con struttura e composizione sotto controllo, abbandonando l’architettura caotica di quelli tradizionali. Le nanoparticelle metalliche sono state disposte in schemi ordinati, con dimensioni e distanze uniformi. Una griglia, in pratica, che permette di misurare i contributi uno per uno. Il primo confronto ha messo a paragone argento, cobalto, palladio e platino, depositati su un elettrodo a film sottile di ossido con struttura perovskitica. L’argento ha vinto senza discussioni, con il miglioramento catalitico più marcato.
Da lì è iniziata la parte interessante. Variando dimensione e disposizione delle particelle di argento, il team ha osservato che durante la reazione di riduzione dell’ossigeno, quella legata alla generazione di elettricità, la velocità cresceva insieme alla lunghezza del confine tra argento ed elettrodo. Segno chiaro che l’interfaccia è il vero teatro dell’azione. Nella reazione di evoluzione dell’ossigeno, cioè la produzione di idrogeno, la velocità aumentava invece con la superficie delle particelle. Stesso catalizzatore, due sedi operative diverse.
Modificando tensione applicata e concentrazione di ossigeno, i ricercatori hanno anche chiarito i due meccanismi. Nella riduzione l’argento facilita il trasferimento di elettroni all’ossigeno. Nell’evoluzione aiuta gli atomi di ossigeno a combinarsi in molecole e poi ne favorisce il rilascio. Analisi con luce di sincrotrone condotte durante il funzionamento, incrociate con calcoli teorici su scala atomica, hanno confermato che l’argento altera la struttura elettronica della superficie dell’elettrodo in modo favorevole alla riduzione, mentre in modalità evoluzione crea condizioni che rendono più facile l’unione degli atomi di ossigeno.
Una nuova regola per progettare i catalizzatori
La conseguenza pratica è che un nanocatalizzatore non va più trattato come un semplice additivo che accelera le reazioni. Siti attivi e meccanismi cambiano con la modalità operativa, quindi conviene ottimizzare separatamente la superficie del catalizzatore e la sua interfaccia con l’elettrodo quando si sviluppano elettrodi ad aria per celle a combustibile e celle di elettrolisi a ossido solido.
Se il principio verrà trasferito su dispositivi reali, potrebbe migliorare l’efficienza di generazione nei sistemi energetici distribuiti e ridurre l’elettricità necessaria all’elettrolisi dell’acqua. Un aiuto anche alle celle a ossido solido reversibili, capaci di produrre corrente e idrogeno nello stesso sistema.
“Questa ricerca è significativa perché valuta quantitativamente le prestazioni dei nanocatalizzatori identificando al tempo stesso i loro effettivi siti di reazione e i meccanismi di funzionamento”, ha dichiarato il professor Jung, che punta a trasformare il risultato in un principio di progettazione applicabile a più materiali per la conversione energetica.
La piattaforma basata su array ordinati di nanoparticelle resta comunque utilizzabile anche oltre questo ambito, dai dispositivi per la produzione di idrogeno ai sistemi di separazione dell’ossigeno. Il dottor Jinwook Kim, che ha guidato il lavoro, è attualmente ricercatore post dottorato alla Northwestern University e sta per entrare come professore assistente all’Università di Seoul.
