La ricerca di soluzioni sostenibili per la produzione di energia è una delle sfide più importanti del nostro tempo. In questo contesto, la produzione di idrogeno verde attraverso l’elettrolisi dell’acqua si pone come una delle vie più promettenti. Tuttavia, il processo di elettrolisi, in particolare la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) in soluzioni acide, richiede catalizzatori efficienti, a basso costo e stabili, che sono ancora oggetto di studio. Recentemente, un team di ricercatori ha sviluppato un catalizzatore a base di rutenio, stabilizzato con atomi di zinco, che mostra caratteristiche migliorate in termini di stabilità e reattività, aprendo nuove prospettive per la produzione di idrogeno sostenibile.
Le sfide dell’elettrolisi e dei catalizzatori
L’elettrolisi è un processo che utilizza l’elettricità per scindere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. L’uso di membrane a scambio protonico (PEM) e di energie rinnovabili per l’elettrolisi dell’acqua è considerato un metodo sostenibile per la produzione di idrogeno. Tuttavia, la mancanza di catalizzatori efficienti, a basso costo e stabili per l’OER in soluzioni acide rappresenta un ostacolo significativo per il progresso della tecnologia dell’elettrolisi dell’acqua PEM. I catalizzatori a base di iridio sono una soluzione potenziale, ma l’iridio metallico è raro e costoso. In alternativa, gli ossidi di rutenio (RuO2) offrono un’opzione più accessibile e reattiva, ma anche questi soffrono di problemi di stabilità. Di conseguenza, i ricercatori stanno esplorando modi per migliorare la stabilità della struttura RuO2 per sviluppare catalizzatori OER promettenti per l’implementazione di tecnologie di produzione di idrogeno.
Una svolta nello sviluppo dei catalizzatori OER
In uno studio recente pubblicato sul Journal of Energy Chemistry, un gruppo di ricercatori guidato dal Professor Haeseong Jang del Dipartimento di Ingegneria dei Materiali Avanzati presso l’Università Chung-Ang, ha sviluppato un catalizzatore OER promettente, denominato SA Zn-RuO2. Il catalizzatore è composto da RuO2 stabilizzato da singoli atomi di zinco. Il Prof. Jang spiega: “Siamo stati motivati dalla necessità di trovare elettrocatalizzatori alternativi efficienti e convenienti per l’OER nell’elettrolisi dell’acqua PEM. Basandoci sul nostro studio, proponiamo una strategia di doppia ingegnerizzazione, che coinvolge il doping con singoli atomi di Zn e l’introduzione di vacanze di ossigeno, per bilanciare l’alta attività catalitica con la stabilità durante l’OER acido.”
Design e prestazioni del catalizzatore
I ricercatori hanno sintetizzato SA Zn-RuO2 riscaldando un framework organico con atomi di rutenio (Ru) e zinco, formando una struttura con vacanze di ossigeno (atomi di ossigeno mancanti che alterano positivamente le proprietà) e legami Zn-O-Ru. Questi legami stabilizzano il catalizzatore in due modi: uno, rafforzando i legami Ru-O, e due, fornendo elettroni dagli atomi di zinco per proteggere il rutenio dall’iperossidazione durante il processo OER. Inoltre, il migliorato ambiente elettronico attorno agli atomi di rutenio abbassa le energie necessarie affinché le molecole si attacchino alla superficie, riducendo così la barriera energetica per la reazione.
Il catalizzatore risultante era più stabile, senza una caduta apparente nella reattività, e ha superato significativamente il RuO2 commerciale. Inoltre, richiedeva meno energia aggiuntiva (basso sovrappotenziale di 213 mV rispetto ai 270 mV del RuO2 commerciale) e rimaneva funzionale per un periodo più lungo (43 ore rispetto alle 7,4 ore del RuO2 commerciale).
Implicazioni per l’energia sostenibile
Grazie alla sua stabilità migliorata e alle caratteristiche favorevoli, il nuovo catalizzatore SA Zn-RuO2 proposto ha il potenziale per influenzare lo sviluppo di elettrocatalizzatori a basso costo, attivi e resistenti agli acidi per l’OER. Questo, a sua volta, potrebbe aiutare a ridurre i costi e migliorare la produzione di idrogeno verde, favorendo un passaggio verso fonti di energia più pulite e avanzamenti nelle tecnologie sostenibili.
Il Prof. Jang immagina: “Crediamo che questo cambiamento possa rivoluzionare le industrie, i trasporti e le infrastrutture energetiche, e contribuire agli sforzi volti a combattere il cambiamento climatico e a promuovere un futuro più resiliente e consapevole dell’ambiente. Questo perché l’idrogeno verde accessibile può avere un impatto trasformativo sulle società mitigando gli impatti ambientali, creando posti di lavoro e garantendo la sicurezza energetica attraverso soluzioni energetiche diversificate e sostenibili.”
In sintesi, il catalizzatore RuO2 altamente reattivo e cataliticamente stabile per l’OER acido ha una durabilità aumentata e caratteristiche favorevoli, e detiene un immenso potenziale per guidare la progettazione di elettrocatalizzatori OER non a base di iridio robusti e attivi per applicazioni pratiche!
