Quando gli elettroni "saltano" nell'acqua: il segreto delle alte capacità degli elettrodi
I ricercatori hanno scoperto come un minimo "spillover di elettroni" decuplica la capacità di accumulo di energia
Per sviluppare elettrolizzatori migliori per la produzione rigenerativa di idrogeno, è necessario comprendere con precisione i processi sulle superfici degli elettrodi metallici utilizzati. I ricercatori del Dipartimento di Teoria dell'Istituto Fritz Haber sono ora in grado di dimostrare che anche il più piccolo spillo di elettroni metallici nell'ambiente elettrolitico acquoso è sufficiente per aumentare la capacità di accumulo di energia di oltre dieci volte. Solo se le simulazioni al computer tengono conto di questo effetto quantomeccanico, possono essere utilizzate in modo affidabile per studiare nuovi promettenti materiali per elettrolizzatori.
La produzione elettrochimica di idrogeno o di combustibili sintetici costituisce uno dei principali pilastri del futuro stoccaggio di energia sostenibile. Tuttavia, i materiali elettrodici utilizzati negli attuali elettrolizzatori non realizzano ancora questi processi di conversione chimica in modo sufficientemente efficiente o si corrodono troppo rapidamente. La ricerca di materiali più attivi e/o durevoli è quindi un campo di ricerca molto attivo. L'uso di moderne simulazioni al computer potrebbe integrare esperimenti lunghi e complessi, contribuendo così a ridurre i lunghi cicli di ricerca e sviluppo.
Tuttavia, le simulazioni al computer possono svolgere questa funzione solo se descrivono in modo affidabile i sistemi reali. Per catturare accuratamente le conversioni chimiche, questa descrizione deve scendere nei dettagli della struttura atomica e purtroppo, anche dopo anni di intensa ricerca, ci sono ancora problemi irrisolti. Un problema noto da tempo è che le precedenti simulazioni risolte atomicamente non riuscivano a riprodurre correttamente la capacità sperimentale di un elettrodo modello relativamente semplice ma prototipico. La capacità calcolata per questa superficie definita di un singolo cristallo di platino, cioè la capacità di accumulo intrinseca, risultava sempre almeno un fattore 10 troppo piccola.
I ricercatori del Dipartimento di Teoria dell'Istituto Fritz Haber hanno ora ricondotto il problema alla natura classica delle tecniche di simulazione utilizzate finora. Lang Li, primo autore dello studio pubblicato sul celebre Journal of the American Society, spiega: "Per classica intendiamo che gli effetti della meccanica quantistica non sono stati finora considerati esplicitamente nelle simulazioni". Nelle complesse simulazioni che includono questi effetti, lei e il team guidato dal dottor Nicolas Hörmann sono riusciti a confermare pienamente i valori sperimentali. In particolare, le loro analisi hanno mostrato che gli elettroni penetrano dalla superficie dell'elettrodo di platino nei primi strati di acqua dell'elettrolita circostante in una certa misura, ed è questa espansione che aumenta significativamente la capacità.
Grazie a queste conoscenze, le future simulazioni al computer di nuovi promettenti materiali per elettrodi possono ora essere migliorate in modo specifico. Un approccio potrebbe essere costituito da metodi di apprendimento automatico che, dopo un adeguato addestramento su dati complessi di meccanica quantistica, incorporino efficacemente il cosiddetto electron spillover in simulazioni classiche più efficienti.
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