Design del catalizzatore ispirato alla batteria al piombo
RuIrOx drogato con Pb per un'efficiente e duratura evoluzione dell'ossigeno acido in elettrolizzatori a membrana a scambio protonico a 3 A/cm2
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Un team di ricerca internazionale del Songshan Lake Materials Laboratory (SLAB), dell'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze cinese e dell'International Iberian Nanotechnology Laboratory ha sviluppato un nuovo catalizzatore di ossido di rutenio-iridio (RuIrPbOₓ) drogato con piombo che presenta una stabilità e un'efficienza eccezionali per le reazioni di evoluzione dell'ossigeno (OER) negli elettrolizzatori d'acqua a membrana a scambio protonico (PEMWE) che operano ad alte densità di corrente di 3 A/cm². Questo lavoro affronta le sfide di lunga data relative alla durata e alle prestazioni del catalizzatore in condizioni acide e difficili, aprendo la strada a tecnologie di produzione di idrogeno più affidabili ed economiche.
La produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico è una soluzione energetica pulita ben nota e promettente. Il fulcro di questa tecnologia sono i catalizzatori che facilitano la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) in condizioni altamente acide. Attualmente, i catalizzatori più avanzati, basati principalmente su ossidi di rutenio e iridio, hanno dimostrato un'elevata attività, ma soffrono di notevoli problemi di durata quando vengono utilizzati ad alte densità di corrente. Il loro degrado strutturale, tra cui la partecipazione dell'ossigeno al reticolo e la lisciviazione dei metalli, limita la durata operativa e ostacola l'impiego pratico. Inoltre, il bilanciamento tra attività, stabilità e costi rimane una sfida persistente, in gran parte dovuta alla natura corrosiva dell'ambiente e alla scarsità di metalli nobili.
Attualmente, la maggior parte degli elettrolizzatori PEM si affida a catalizzatori a base di iridio perché l'IrO₂ può resistere all'ambiente acido corrosivo. Tuttavia, l'iridio è uno degli elementi più rari e costosi della Terra e la sua catena di approvvigionamento globale è vulnerabile alle fluttuazioni geopolitiche. Il rutenio, pur essendo più abbondante e attivo, soffre di una rapida dissoluzione sotto alta tensione, formando specie RuO₄ solubili che portano a una rapida degradazione. I ricercatori di tutto il mondo hanno cercato il modo di stabilizzare i catalizzatori di ossido di Ru-Ir o di sostituire del tutto l'iridio, ma il mantenimento di un'attività elevata e di una durata a lungo termine in presenza di densità di corrente industriali è rimasta una sfida formidabile.
RuIrPbOx come catalizzatori anodici della PEMWE.
Fei Lin and Lifeng Liu from Songshan Lake Materials Laboratory.
La soluzione
Ispirandosi alla robusta chimica delle batterie piombo-acido, i ricercatori hanno drogato atomi di piombo nel reticolo dell'ossido di Ru-Ir attraverso un semplice processo sol-gel. Gli atomi di piombo agiscono come stabilizzatori elettronici, regolando la struttura locale dei siti di rutenio e impedendo la loro dissoluzione, una modalità di fallimento fondamentale nei catalizzatori convenzionali.
La caratterizzazione avanzata ha rivelato che il drogaggio ottimale di Pb sopprime la partecipazione distruttiva dell'ossigeno reticolare nella reazione di evoluzione dell'ossigeno, preservando l'integrità del catalizzatore. I calcoli della teoria funzionale della densità (DFT) hanno inoltre confermato che il drogaggio di Pb riduce la covalenza Ru-O e aumenta l'energia di dissoluzione del Ru, prevenendo efficacemente la lisciviazione del Ru. Integrato in un elettrolizzatore PEM completo, questo catalizzatore ha consentito l'elettrolisi dell'acqua a 1,96 V @ 3 A cm-², superando gli elettrodi commerciali di IrO₂ e RuO₂ e utilizzando una quantità di metallo prezioso significativamente inferiore. Il carico totale di metalli del gruppo del platino (Pt + Ru + Ir) è stato ridotto a 0,17 mg W-¹, avvicinandosi all'obiettivo del DOE 2026 degli Stati Uniti e superando l'obiettivo dell'UE Clean Hydrogen 2030 per la PEMWE.
Il futuro
Il lavoro futuro si concentrerà sull'aumento di scala della fabbricazione degli elettrodi e sull'ottimizzazione dell'integrazione dei catalizzatori negli stack PEM di grandi dimensioni. Il team prevede inoltre di esplorare droganti alternativi e strategie di nanostrutturazione per ridurre ulteriormente il consumo di metalli preziosi e migliorare le prestazioni a densità di corrente ancora più elevate.
Questi studi mirano ad accelerare la diffusione industriale degli elettrolizzatori PEM ad acqua alimentati da energia rinnovabile, un passo essenziale verso un'economia globale dell'idrogeno verde.
L'impatto
Questa scoperta dimostra una via pratica per la produzione di catalizzatori efficienti e durevoli per l'elettrolisi dell'acqua acida, superando uno dei principali ostacoli alla produzione di idrogeno verde su larga scala. Combinando riduzione dei costi, capacità di alta densità di corrente ed eccezionale stabilità, il catalizzatore di ossido di Ru-Ir modificato con piombo stabilisce un nuovo punto di riferimento per la tecnologia degli elettrolizzatori di prossima generazione.
Il lavoro non solo fa progredire la comprensione dei meccanismi di stabilità degli ossidi di metalli preziosi, ma fornisce anche un modello per la progettazione di robusti elettrocatalizzatori per i sistemi industriali di energia rinnovabile.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Jingwei Wang, Kaiyang Xu, Zhipeng Yu, Hang Cui, Haoliang Huang, Chenyue Zhang, Run Ran, Liyuan Zeng, Yang Zhao, Xinyi Xiang, Weifeng Su, Yaowen Xu, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, Fei Lin, Lifeng Liu; "Lead-doped ruthenium-iridium oxide catalysts for durable acidic oxygen evolution in proton exchange membrane electrolyzers at 3 A/cm2"; Materials Futures, 2025-11-3
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