Il campo magnetico durante la sintesi del catalizzatore triplica la resa dell'ammoniaca

Dall'industria chimica e dall'economia dell'idrogeno alla produzione di fertilizzanti a base di ammoniaca, le nuove tecnologie dei catalizzatori sono la chiave per una maggiore sostenibilità ed efficienza. Prendiamo ad esempio la sintesi dell'ammoniaca: il noto processo Haber-Bosch consuma tra l'1 e il 2% dell'energia mondiale ed è responsabile di quasi l'1% delle emissioni annuali di gas serra. Tuttavia, il processo Haber-Bosch, ad alta intensità energetica, non è più l'unica opzione. Un approccio più recente si basa sulla conversione elettrochimica del nitrato in ammoniaca. Il nitrato si accumula in grandi quantità come liquame nell'agricoltura intensiva ed è particolarmente dannoso per i corsi d'acqua. Tuttavia, sono necessari catalizzatori adatti a sopprimere la formazione di sottoprodotti contenenti idrogeno e azoto durante la conversione del nitrato in ammoniaca. A questo proposito, la classe degli ossidi metallici di transizione spinellati è considerata particolarmente promettente, in particolare i film sottili di CoFe₂O₄.

Un campo magnetico esterno applicato durante la sintesi di questi catalizzatori può aumentarne enormemente l'efficienza e la selettività, come dimostrato da uno studio guidato dal Dr Marcel Risch, HZB, e dal Prof. Dr Sanjay Mathur, Università di Colonia. Applicando un campo magnetico durante la deposizione in fase di vapore chimico, abbiamo cercato di adattare gli stati superficiali e la distribuzione dei cationi nei film sottili di CoFe₂O₄ per creare elettrocatalizzatori più efficienti e progettati in superficie", spiega Mathur, che ha guidato la sintesi dei materiali. Questa ipotesi è stata confermata molto chiaramente.

Gli strati di CoFe₂O₄ prodotti sotto un campo magnetico di 1 T hanno dato i risultati migliori: rispetto ai CoFe₂O₄ prodotti senza campo magnetico, hanno prodotto tre volte più ammoniaca, dimostrando l'efficacia dell'ingegneria di superficie controllata dal campo magnetico. Confrontando la resa in ammoniaca del catalizzatore CoFe₂O₄-1T con quella dell'ossido di ferro puro _Fe3O4-1T, anch'esso sintetizzato in un campo magnetico di 1 Tesla, la resa in ammoniaca è risultata di diverse volte (22 volte) superiore. Ciò dimostra che il cobalto svolge un ruolo decisivo nella riduzione dei nitrati. Calcoli DFT supplementari confermano che il cobalto sopprime effettivamente la reazione concorrente di evoluzione dell'idrogeno, promuovendo contemporaneamente la conversione del nitrato. Il campo magnetico applicato stabilizza gli ioni Co²⁺ cataliticamente attivi nei siti ottaedrici, abbassando così le barriere cinetiche per la riduzione dei nitrati", spiega Risch.

Lo studio dimostra che, oltre alla temperatura e alla pressione, il campo magnetico è un parametro efficace per controllare la distribuzione dei cationi, le strutture dei domini magnetici e gli stati superficiali a livello atomico durante la crescita dei catalizzatori a film sottile. Sebbene il campo magnetico sia applicato solo durante la crescita del film sottile, i miglioramenti continuano ad avere un effetto positivo duraturo anche durante il funzionamento elettrochimico senza campo. Questo rende il nostro approccio particolarmente promettente per le applicazioni pratiche, poiché non è necessario un campo magnetico esterno durante l'elettrolisi", spiega Risch.

Le immagini scattate con un microscopio elettronico a scansione mostrano che le superfici dei film sottili di _CoFe2O4 sono sistematicamente molto più ruvide - e quindi più grandi - quanto più forte è il campo magnetico durante la sintesi. Speriamo che questi risultati stimolino un'esplorazione più ampia delle strategie assistite da campi magnetici per personalizzare gli elettrocatalizzatori", afferma Mathur.