Conoscere i catalizzatori delle celle a combustibile
Lo studio costituisce un nuovo modo di condurre la ricerca sugli elettrocatalizzatori
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I ricercatori dell'Istituto Fritz Haber della Max Planck Society hanno svelato nuove fondamentali intuizioni sui principi di funzionamento dei catalizzatori delle celle a combustibile. Il loro studio, pubblicato su Nature Communications, rivela come i molteplici passaggi durante la conversione dell'ossigeno (O2) in acqua (H2O) diano origine alla cinetica complessiva del catalizzatore e come questa sia legata ai cambiamenti all'interfaccia catalizzatore-soluzione. Lo studio costituisce un profondo passo avanti nella comprensione delle reazioni elettrocatalitiche multi-step.
Rappresentazione schematica di una cella a combustibile e dei processi elettrochimici studiati.
Copyright: © FHI
Introduzione all'attività dei catalizzatori
I catalizzatori sono indispensabili per il nostro futuro approvvigionamento energetico. Ad esempio, sono impiegati nelle celle a combustibile che possono alimentare i trasporti pesanti e a lungo raggio. I continui progressi nei catalizzatori e la profonda comprensione degli elettrocatalizzatori delle celle a combustibile sono essenziali per rendere questa tecnologia più pratica per l'uso quotidiano.
Il Dipartimento di Scienze delle Interfacce dell'Istituto Fritz Haber ha fatto passi da gigante nella comprensione dei principi di funzionamento dei catalizzatori per celle a combustibile in condizioni di rilevanza industriale. I risultati sono fondamentali per far progredire la tecnologia elettrochimica e per fornire una comprensione fondamentale delle reazioni elettrocatalitiche a più fasi.
Una cascata cinetica
Lo studio, condotto dai dottori Silva e Jody Druce nel gruppo guidato dal dottor Öner presso il Dipartimento di Scienze dell'Interfaccia diretto dalla professoressa Beatriz Roldán Cuenya, studia come l'overpotential applicato elettricamente e la pressione dell'O2 modifichino la cinetica della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) di quattro diversi catalizzatori in un ambiente praticamente rilevante per le celle a combustibile. Hanno scoperto una cinetica molto ricca dipendente dal sovrappotenziale, in cui l'attività del catalizzatore non è limitata da un'unica fase che determina il tasso, ma da diverse fasi su un'interfaccia catalizzatore-soluzione che a sua volta subisce cambiamenti in funzione del sovrappotenziale.
Approfondimenti tecnici
Il dottor Öner spiega: "La visione tradizionale della comunità è che le reazioni a più fasi possono essere ridotte a un solo intermedio che determina la velocità o, in termini più tecnici, che il grado di controllo della velocità di questa fase è uguale a uno. Tuttavia, i nostri risultati mettono in discussione questo punto di vista". I ricercatori hanno scoperto che i passaggi limitanti e il loro grado di controllo della velocità cambiano in funzione dell'iperpotenziale e della pressione. Öner sottolinea che questo studio rappresenta un nuovo modo di condurre la ricerca sugli elettrocatalizzatori. "Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno spesso applicato alcuni tipi di analisi e teorie con il presupposto di un singolo passaggio che determina la velocità. Il nostro lavoro rompe con questa tradizione. Stiamo fornendo un quadro cinetico ai risultati della spettroscopia e della microscopia operatoria, che da decenni osservano cambiamenti strutturali e chimici dipendenti dalla polarizzazione. Una delle domande più importanti è come le proprietà dinamiche e microscopiche dipendenti dal sovrapotenziale e dalla pressione diano origine alle proprietà dell'insieme che definiscono i parametri di attivazione. Per questo motivo, i nostri risultati definiscono una nuova agenda per la ricerca futura".
Conclusioni e direzioni future
La Prof.ssa Beatriz Roldán Cuenya sottolinea l'importanza di collegare i cambiamenti chimici e strutturali dipendenti dal sovrapotenziale e dalla pressione nell'interfase catalizzatore-soluzione con i parametri di attivazione. La ricerca non solo fa progredire la nostra comprensione dell'attività del catalizzatore, ma è anche promettente per migliorare le tecnologie di conversione energetica. Il team si impegna a esplorare ulteriormente questi risultati per fornire ulteriori conoscenze fondamentali che potrebbero avere un impatto sui campi della conversione energetica e chimica e sulle tecnologie correlate.
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