I ricercatori hanno scoperto per la prima volta che lo stesso nanocatalizzatore d'argento (Ag) può operare in diversi siti di reazione a seconda che una cella a ossido solido stia producendo elettricità o generando idrogeno. La scoperta indica un nuovo modo di progettare questi dispositivi energetici di prossima generazione per migliori prestazioni - perché accontentarsi di un solo trucco catalitico quando se ne possono avere due?

Il lavoro è stato guidato dai professori WooChul Jung e Jeong Woo Han del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Seoul National University (SNU), insieme al team del professor Sang Ouk Kim del KAIST e al team del dottor Beomgyun Jeong del Korea Basic Science Institute (KBSI). I loro risultati chiariscono come i nanocatalizzatori d'argento migliorino le prestazioni delle celle a ossido solido e mostrano che sia la posizione che il meccanismo delle reazioni dell'ossigeno cambiano a seconda di come la cella viene utilizzata - un po' come un coltellino svizzero che decide di essere un cucchiaio solo quando mangi la zuppa.

Le celle a ossido solido muovono ioni di ossigeno attraverso un materiale solido per svolgere due funzioni diverse: possono generare elettricità, oppure possono dividere l'acqua per produrre idrogeno. Grazie a questa versatilità, la tecnologia è considerata un'opzione importante per espandere l'energia pulita e l'uso dell'idrogeno. Le applicazioni potenziali spaziano dai sistemi distribuiti di cogenerazione in edifici e fabbriche che generano elettricità sfruttando il calore ad alta temperatura prodotto durante il funzionamento, alla produzione di idrogeno verde basata su energie rinnovabili. I risultati sono stati pubblicati sulla rinomata rivista internazionale Energy & Environmental Science e sono stati selezionati come articolo di copertina posteriore, evidenziando la loro importanza - perché a quanto pare, essere sulla copertina posteriore è l'equivalente scientifico di una standing ovation.

Individuare dove i catalizzatori fanno il loro lavoro

Le prestazioni e la durata delle celle a ossido solido dipendono fortemente dalla velocità con cui avvengono le reazioni dell'ossigeno all'elettrodo ad aria. Ma gli elettrodi reali hanno strutture complicate, rendendo difficile per i ricercatori determinare esattamente dove i nanocatalizzatori partecipano a queste reazioni e come migliorano le prestazioni. Ricerche precedenti avevano già dimostrato che i nanocatalizzatori metallici possono far funzionare meglio queste celle. Ciò che rimaneva poco chiaro era se la maggior parte dell'attività catalitica avviene direttamente sulla superficie del catalizzatore o al confine dove il catalizzatore tocca l'elettrodo. I ricercatori inoltre non sapevano se lo stesso meccanismo catalitico fosse responsabile sia della generazione di elettricità che della produzione di idrogeno.

Per indagare queste domande, il team ha creato un elettrodo modello con struttura e composizione accuratamente controllate invece di affidarsi all'architettura molto più complicata degli elettrodi convenzionali. Nanoparticelle metalliche con dimensioni e spaziature uniformi sono state disposte in schemi ordinati, consentendo ai ricercatori di esaminare i loro ruoli catalitici in modo molto più preciso. Gli scienziati hanno prima confrontato diversi nanocatalizzatori metallici, tra cui argento, cobalto, palladio e platino. Ciascuno è stato depositato su un elettrodo a ossido di perovskite a film sottile e testato per la sua capacità di accelerare le reazioni dell'ossigeno. L'argento ha prodotto il miglioramento catalitico più forte tra i metalli testati - prendi questo, platino.

I ricercatori hanno poi cambiato dimensione e disposizione delle nanoparticelle d'argento per determinare dove avvenivano le reazioni più importanti. Durante la reazione di riduzione dell'ossigeno (generazione di elettricità), le velocità di reazione aumentavano con la lunghezza del confine tra le nanoparticelle d'argento e l'elettrodo. Questo ha mostrato che l'interfaccia tra l'argento e l'elettrodo è il sito di reazione principale quando la cella genera elettricità. La situazione cambiava durante la reazione di evoluzione dell'ossigeno (produzione di idrogeno). In questa modalità, le velocità di reazione aumentavano con la superficie delle nanoparticelle d'argento. Questo risultato ha mostrato che la superficie delle particelle d'argento stesse diventa il sito di reazione primario durante la produzione di idrogeno.