Il rimescolamento atomico apre la strada a catalizzatori da record per la produzione di idrogeno
"Questo apre una nuova strategia per la progettazione di catalizzatori adattivi per un'ampia gamma di applicazioni"
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I ricercatori hanno scoperto che gli atomi possono essere mescolati, separati e ricombinati all'interno dello stesso esperimento, fornendo una via per un catalizzatore da record per la produzione di idrogeno verde.
Nello studio, il team ha creato particelle in nanoscala contenenti solo poche decine di atomi di platino e nichel e ha osservato un insolito comportamento dinamico nello spazio diretto e in tempo reale. Quando i due metalli si separano l'uno dall'altro, pur mantenendo un'interfaccia, diventano altamente attivi per la scissione elettrochimica dell'acqua, portando a un'efficiente evoluzione dell'idrogeno.
Il progetto è guidato dall'Università di Nottingham in collaborazione con l'Università di Birmingham, la Diamond Light Source e l'Università di Ulm in Germania. Lo studio è stato pubblicato oggi su Advanced Materials.
Il dottor Jesum Alves Fernandes, della Scuola di Chimica dell'Università di Nottingham, che ha guidato il team di ricerca, ha dichiarato: "Ciò che rende questa scoperta entusiasmante è che possiamo sintonizzare reversibilmente la struttura della particella osservando direttamente il processo su scala atomica. Questo apre una nuova strategia per la progettazione di catalizzatori adattivi per una vasta gamma di applicazioni".
Quando si aggiunge il latte al caffè, le due sostanze si mescolano senza sforzo e non possono separarsi spontaneamente. Questo processo è dettato dalla seconda legge della termodinamica, che regola il comportamento delle molecole e degli atomi, portando a un aumento dell'entropia, o una misura del disordine.
Il dottor Emerson Kohlrausch, che ha guidato il lavoro sperimentale nella Scuola di Chimica dell'Università di Nottingham, ha dichiarato: "Inizialmente, quando abbiamo osservato le nanoparticelle di platino-nichel al microscopio elettronico, abbiamo visto che i due tipi di atomi erano mescolati, come ci si aspetterebbe in una lega. Tuttavia, solo pochi secondi dopo, i due metalli hanno iniziato a separarsi l'uno dall'altro davanti ai nostri occhi. È stata un'osservazione sorprendente, perché sembrava andare contro i comportamenti termodinamici convenzionali".
Per poter fotografare un materiale con la microscopia elettronica, gli atomi devono interagire con un fascio di elettroni veloci, che possono trasferire parte della loro energia agli atomi del campione. Questo stimola gli atomi a rimescolarsi nella particella per occupare nuove posizioni che, nel caso dell'intermetallo platino-nichel, portano alla separazione dei metalli.
Non appena il nichel si separa dal platino, raccoglie atomi di ossigeno dall'ambiente, formando un ossido. "Questo porta alla creazione di nanoparticelle composte da due metà, il metallo platino e l'ossido di nichel, separate da un'interfaccia atomicamente definita. Creiamo nuovi tipi di particelle ibride e ne osserviamo la formazione in tempo reale, un'esperienza senza precedenti", spiega il professor Andrei Khlobystov, docente di nanomateriali all'Università di Nottingham, che sostiene l'uso della microscopia elettronica per l'imaging delle reazioni chimiche.
In passato il team ha utilizzato il fascio di elettroni sia come strumento di imaging che come fonte di energia per le reazioni chimiche, dimostrando la prima osservazione in tempo reale della rottura e della formazione di legami chimici e della nucleazione dei cristalli. Il professor Ute Kaiser, a capo del progetto SALVE che ha sviluppato un microscopio unico per questi esperimenti presso l'Università di Ulm, in Germania, ha dichiarato: "È importante creare condizioni in cui sia possibile tracciare le posizioni di ogni atomo. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo utilizzato il materiale più sottile possibile per supportare le nanoparticelle - il foglio di grafene - e abbiamo controllato attentamente l'energia e il flusso del fascio di elettroni".
È sorprendente che i metalli possano essere mescolati di nuovo se le condizioni vengono modificate, formando una lega, e che lo stesso processo possa essere ripetuto più volte. Il dottor Emerson Kohlrausch ha dichiarato: "Piuttosto che comportarsi come oggetti solidi e rigidi, le particelle sembravano comportarsi come creature viventi, rispondendo all'ambiente. Questo ci ha ispirato a sfruttare la loro dinamica per la catalisi".
I ricercatori hanno esplorato le particelle di platino-nichel per la produzione di idrogeno attraverso la scissione elettrochimica dell'acqua. Hanno dimostrato che il processo di separazione dei metalli scoperto al microscopio elettronico avviene anche nelle condizioni di reazione. Il dottor Jesum Alves Fernandes ha dichiarato: "Ciò che rende queste particelle così efficaci è la cooperazione tra i due materiali dopo la separazione. Il platino e l'ossido di nichel svolgono ciascuno ruoli diversi nella scissione dell'acqua e la condivisione di un confine atomico consente la cooperazione finale tra loro".
L'effetto cooperativo aumenta la produzione di idrogeno dall'acqua, rendendo questo materiale uno dei catalizzatori più efficaci per la scissione dell'acqua. Oltre alla produzione di idrogeno, i risultati potrebbero influenzare la futura progettazione di catalizzatori per la conversione energetica, la produzione chimica e i processi industriali sostenibili.
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
Emerson C. Kohlrausch, Christopher Leist, Gazi N. Aliev, Mohsen Danaie, Matthew Young, Madasamy Thangamuthu, Yifan Chen, William J. Cull, Wolfgang Theis, Ute Kaiser, Andrei N. Khlobystov, Jesum Alves Fernandes; "Direct Imaging Reveals the Atomic Mechanism of Active‐Site Formation in Nanoclusters for Hydrogen Production"; Advanced Materials, 2026-6-3
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