L'ossidazione del platino osservata in tempo reale: la chiave per elettrolizzatori più durevoli

Un gruppo di ricerca che coinvolge DESY ha ora osservato per la prima volta in tempo reale come si forma uno strato di ossido sulla superficie del platino sotto tensione elettrica. I risultati potrebbero contribuire a spianare la strada a tecnologie a idrogeno più durevoli. I risultati sono stati ora pubblicati su Nature Communications.

Il platino è uno dei materiali più importanti utilizzati negli elettrolizzatori e nelle celle a combustibile. Il metallo prezioso agisce da catalizzatore, accelerando le reazioni chimiche necessarie, ad esempio, per produrre o utilizzare l'idrogeno. Sotto tensioni elevate, tuttavia, la superficie del materiale cambia e perde gradualmente l'attività catalitica.

Un team di ricerca internazionale ha ora studiato questi cambiamenti a livello atomico utilizzando metodi a raggi X ad alta risoluzione presso la sorgente di raggi X PETRA III del DESY. Le misurazioni mostrano che, sotto tensione elettrica, sulla superficie del platino si forma gradualmente un sottile strato di ossido che altera la struttura interna del materiale.

"Stiamo assistendo a un equilibrio tra stabilità e attività", afferma Andreas Stierle, ricercatore capo presso il DESY e professore all'Università di Amburgo. «L’ossidazione protegge in parte la superficie del platino da un’ulteriore perdita di materiale, ma allo stesso tempo rende il catalizzatore meno efficiente. Comprendere meglio questi processi è fondamentale per sviluppare materiali più durevoli per elettrolizzatori e celle a combustibile».

I ricercatori hanno inoltre osservato che l’ossidazione procede strato per strato e forma uno strato disordinato di ossido di platino ad alte tensioni. Per gli esperimenti, il team ha combinato per la prima volta tre metodi complementari a raggi X per studiare simultaneamente la struttura atomica della superficie del platino, lo spessore dello strato di ossido e la sua composizione chimica – il tutto in condizioni operative realistiche.

“Il progresso chiave è stato combinare tecniche all’avanguardia di radiazione di sincrotrone con un metodo consolidato dell’elettrochimica fondamentale”, afferma il primo autore Leon Jacobse, che ha svolto il lavoro presso il Centro per la scienza dei raggi X e delle nanotecnologie (CXNS) del DESY. «Questo ci ha permesso di seguire i cambiamenti su scala atomica mentre la reazione era effettivamente in corso».

Vedran Vonk, del team di Andreas Stierle, aggiunge: “La nuova combinazione di metodi ci permette di monitorare i cambiamenti strutturali nei catalizzatori in tempo reale in condizioni operative realistiche. Questo ci consente di collegare direttamente le prestazioni dei materiali ai processi di invecchiamento”.

Un importante passo avanti: solo comprendendo i minuscoli processi che avvengono a livello degli atomi di platino i ricercatori possono sviluppare nuove strategie per contrastare il degrado. Vedran Vonk aggiunge: «Questo apre anche nuove possibilità per altri processi elettrochimici, comprese le tecnologie delle batterie, dove si verificano effetti di invecchiamento simili».

Studi futuri analizzeranno come i materiali catalitici più vicini alle applicazioni reali – come le nanoparticelle di platino – cambiano in condizioni operative. A lungo termine, i risultati potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare materiali più efficienti in termini di risorse e più accessibili per gli elettrolizzatori, contribuendo a tecnologie dell’idrogeno più efficienti ed economicamente sostenibili.

Lo studio ha coinvolto ricercatori del Centro per la scienza dei raggi X e delle nanoscienze (CXNS) presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, l’Università di Amburgo, la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e l’Università Justus Liebig di Giessen.