Idrogeno verde: l'MXene aumenta l'efficacia dei catalizzatori
Un percorso promettente verso una nuova classe di catalizzatori
Gli MXeni sono in grado di ospitare particelle cataliticamente attive. Questa proprietà può essere sfruttata per creare materiali catalitici più potenti, in grado di accelerare e potenziare in modo significativo la reazione di evoluzione dell'ossigeno, che rappresenta uno dei colli di bottiglia nella produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi con energia solare o eolica. Uno studio dettagliato condotto da un team internazionale guidato dalla chimica dell'HZB Michelle Browne mostra il potenziale di questi nuovi materiali per future applicazioni su larga scala. Lo studio è pubblicato su Advanced Functional Materials.
L'idrogeno verde è destinato a svolgere un ruolo importante nel futuro sistema energetico: può essere utilizzato per immagazzinare energia chimica, come materia prima per l'industria chimica e per produrre carburanti rispettosi del clima. L'idrogeno verde può essere generato in modo quasi neutrale per il clima se l'energia utilizzata per l'elettrolisi - il processo di scissione dell'acqua nei suoi elementi - proviene dall'energia solare o eolica. Tuttavia, sono necessari speciali catalizzatori per accelerare la formazione di idrogeno e ossigeno ai due elettrodi. In particolare, la reazione di evoluzione dell'ossigeno è lenta e richiederebbe molta più energia senza catalizzatori efficaci. Attualmente, tali catalizzatori sono realizzati con metalli preziosi, rari e costosi. Affinché l'idrogeno verde possa essere prodotto nelle quantità richieste a un prezzo ragionevole, sono necessari catalizzatori realizzati con elementi facilmente reperibili.
Strutture a scaglie
All'HZB, un team guidato da Michelle Browne sta sviluppando sofisticate alternative basate sui cosiddetti MXeni. Gli MXeni sono strutture a scaglie composte da carbonio e dai cosiddetti metalli di transizione. Le particelle cataliticamente attive possono aderire alle superfici interne degli MXeni, potenziando così il loro effetto catalitico. Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials dimostra che questa idea funziona.
Il primo autore dello studio, Can Kaplan, ha utilizzato diverse varianti di un MXene di carburo di vanadio come base per la sua ricerca. Ha colto l'opportunità di condurre ricerche presso il laboratorio dei partner svedesi dell'Università di Linköping, nell'ambito di un programma di scambio durante il dottorato.
Il ruolo dei posti liberi
"Abbiamo sintetizzato due varianti di MXene: V2CTx puro e V1.8CTx con il 10% di vacancies di vanadio. Questi vuoti di vanadio fanno sì che l'area superficiale interna di questa variante sia significativamente più grande", spiega Can Kaplan.
Incorporare il CoFe nell'MXene
Nel laboratorio HZB di Michelle Browne, Kaplan ha sviluppato un processo chimico in più fasi per incorporare le particelle di catalizzatore Co0,66Fe0,34 nell'MXene. Le immagini scattate con un microscopio elettronico a scansione mostrano che l'operazione è riuscita: gli MXene puri hanno una struttura simile a quella di un pasticcino, ma questa è cambiata in modo significativo grazie all'incorporazione delle particelle di cobalto-ferro.
Migliore efficienza: CoFe nell'MXene carente di vanadio
Il team ha poi analizzato l'effetto dei diversi campioni di catalizzatore utilizzati durante l'elettrolisi: ferro-cobalto puro e miscelato con una delle due varianti di MXene. I risultati sono stati molto chiari: anche il composto ferro-cobalto puro agisce come catalizzatore. Tuttavia, se incorporato nell'MXene, l'effetto catalitico aumenta in modo significativo. L'efficienza è ulteriormente migliorata quando il composto ferro-cobalto è incorporato in MXene con numerosi spazi liberi.
Utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X in situ presso la sorgente di sincrotrone SOLEIL in Francia, il team è stato in grado di seguire i cambiamenti nei numeri di ossidazione del cobalto e del ferro durante la reazione elettrolitica.
Un percorso promettente verso una nuova classe di catalizzatori
Abbiamo testato questi catalizzatori sia su scala di laboratorio che in un elettrolizzatore molto più grande", sottolinea Kaplan. Questo rende i nostri risultati davvero significativi e interessanti per le applicazioni industriali".
Attualmente l'industria non ha ancora preso in considerazione l'MXene come materiale portante per le particelle cataliticamente attive sul radar", afferma Michelle Browne. Stiamo conducendo una ricerca di base, ma con chiare prospettive: le applicazioni. I nostri risultati hanno fornito le prime indicazioni sulla complessa interazione tra la struttura del vettore, l'incorporazione di particelle cataliticamente attive e l'attività catalitica". L'MXene è un candidato promettente per lo sviluppo di catalizzatori innovativi, altamente efficienti e poco costosi", conclude Michelle Browne.
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Pubblicazione originale
Can Kaplan, Karuppasamy Dharmaraj, Thorsten Schultz, Leiqiang Qin, Ningjun Chen, Danielle A. Douglas‐Henry, Bastian Schmiedecke, Merve Buldu‐Akturk, Axel Zuber, Iris Dorbandt, Maximilian Reinhardt, Yael Rodriguez‐Ayllon, Yan Lu, Valeria Nicolosi, Norbert Koch, Johanna Rosen, Michelle P. Browne; "Enhancing CoFe Catalysts with V2CTX MXene‐Derived Materials for Anion Exchange Membrane Electrolyzers"; Advanced Functional Materials, 2025-5-15
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