Scoperte nuove dinamiche nella catalisi eterogenea
I ricercatori hanno dimostrato che i catalizzatori solidi possono talvolta comportarsi in modo diverso da quanto precedentemente ipotizzato durante la produzione di idrogeno
L'evoluzione dell'ossigeno è considerata una delle fasi più dispendiose dal punto di vista energetico nell'elettrolisi dell'acqua ed è quindi un fattore chiave per una più efficiente produzione di idrogeno verde. La modellazione dei meccanismi di reazione si è finora basata sull'ipotesi che le fasi elementari avvengano in modo sequenziale e non concertato. Un team guidato dal Prof. Dr. Kai S. Exner dell'Università di Duisburg-Essen ha ora dimostrato che questa ipotesi non è sempre corretta. I risultati, pubblicati su Nature Communications, aprono nuove possibilità di miglioramento dei catalizzatori solidi per le applicazioni di conversione e stoccaggio dell'energia.
Esistono due tipi fondamentali di catalisi: i catalizzatori omogenei hanno lo stesso stato fisico delle sostanze da convertire (ad esempio, sono tutti liquidi), mentre i catalizzatori eterogenei si trovano in una fase diversa, ad esempio un solido che reagisce con liquidi o gas. Affinché una reazione avvenga sulla superficie di un catalizzatore solido, i materiali di partenza (reagenti) devono attaccarsi alla sua superficie (adsorbimento) e poi dissolversi di nuovo dopo che la reazione ha avuto luogo (desorbimento).
Finora, la ricerca sui catalizzatori solidi - cioè la variante eterogenea - ha ipotizzato che l'adsorbimento e il desorbimento avvengano in modo sequenziale: il reagente si lega al catalizzatore, reagisce e poi il prodotto si dissolve. Nella catalisi omogenea, invece, è noto che queste fasi avvengono contemporaneamente.
Quando si modellano i meccanismi di reazione nella catalisi eterogenea, non sempre si è tenuto conto delle possibili fasi elementari simultanee. Tuttavia, uno studio teorico condotto nell'ambito del Cluster di Eccellenza RESOLV dimostra che il biossido di iridio solido (IrO₂), utilizzato come materiale anodico per la produzione di idrogeno verde, si comporta in modo simile a un catalizzatore omogeneo per quanto riguarda l'evoluzione dell'ossigeno: l'ossigeno viene prodotto in un "meccanismo simile a quello di Walden" in cui l'adsorbimento e il desorbimento avvengono in modo concertato, analogamente alle varianti omogenee. Questo contraddice le idee precedenti e apre nuove possibilità per migliorare i catalizzatori solidi che sono più in linea con i principi dei processi omogenei in soluzione.
La ricerca di Exner si basa su diversi progetti congiunti dell'Università di Duisburg Essen e dell'University Alliance Ruhr: il progetto Natural Water to Hydrogen diretto dalla prof.ssa Corina Andronescu, il Centro di ricerca collaborativo 247 Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase e, infine, la ricerca nel nuovo edificio Active Sites, per il quale si è recentemente svolta la cerimonia di inaugurazione.
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