Un innovativo catalizzatore per la produzione di idrogeno 20 volte più efficiente arriva dalla Corea

KAIST E KIST SVELANO UN CATALIZZATORE DI PRODUZIONE DI IDROGENO STAMPATO A NANOTRASFERIMENTO ALTAMENTE EFFICIENTE

Un gruppo di ricerca congiunto del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e del Korea Institute of Science and Technology (KIST) ha sviluppato un innovativo catalizzatore per la produzione di idrogeno che sostiene essere 20 volte più efficiente di altri attualmente esistenti.

I ricercatori hanno costruito il catalizzatore attraverso la stampa a nanotrasferimento assistito da solvente (S-nTP), una tecnica molto simile alla stampa 3D, che prevede l’impilamento di array di nanofili di Iridium a forma di struttura a “catasta di legna”. Questa struttura uniforme consente alle bolle di gas idrogeno generate dal catalizzatore di fuoriuscire in modo molto più efficiente rispetto ai catalizzatori convenzionali di nanoparticelle di iridio con disposizioni casuali.

Il team ritiene che questa tecnologia di recente sviluppo potrebbe ridurre in modo significativo l’uso di costosi catalizzatori all’iridio, che hanno lo stesso valore dell’oro, e fornire un metodo più conveniente per la produzione di idrogeno.

Mentre il mondo cerca di passare dalla fornitura di energia incentrata sui combustibili fossili a opzioni più rinnovabili, molti considerano l’economia dell’idrogeno una struttura industriale di prossima generazione con un potenziale sostanziale. Considerato ecologico e altamente efficiente, l’idrogeno è, tuttavia, costoso da produrre, con il problema di produrlo a buon mercato considerato uno degli ostacoli chiave alla sua più ampia diffusione.

Gli elettrolizzatori dell’acqua a membrana elettrolitica polimerica (PEMWE) producono idrogeno ad alta purezza attraverso l’elettrolizzazione dell’acqua utilizzando celle solari o energia elettrica in eccesso e hanno suscitato un forte interesse per la loro compattezza, alta efficienza energetica, purezza dell’idrogeno e velocità di produzione efficiente. Il limite per l’industrializzazione su larga scala dei PEMWE è il requisito di costosi catalizzatori metallici, come l’iridio, per facilitare la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) che produce l’idrogeno.

Significativamente, l’attività di massa di questi catalizzatori OER è determinata dall’area superficiale elettrochimicamente attiva per massa caricata di iridio (ECSA) e dall’attività di massa per ECSA. Il team KAIST e KIST, quindi, ha visto l’opportunità di riprogettare le nanostrutture del catalizzatore al fine di migliorarne l’efficienza complessiva riducendo la quantità di Iridium utilizzata, che a sua volta abbassa sostanzialmente i costi.

Il metodo nTP ha ricevuto una notevole attenzione grazie alla sua capacità di generare prontamente nanostrutture altamente funzionali con disposizioni 2D e 3D in un modo a basso costo e altamente efficiente. Durante il processo, le nanostrutture vengono generate mediante deposizione di materiale in fase vapore o in fase di soluzione su uno stampo elastomerico e vengono quindi trasferite su altri substrati utilizzando un meccanismo di contatto diretto.

Attraverso il processo S-nTP ad altissima risoluzione di KAIST e KIST, array di nanofili altamente ordinati sono stati ripetutamente stampati tramite deposizione di fasci di elettroni e trasferiti su un’area macroscopica in una pila multistrato, che una volta completata alla fine ha formato un elettrocatalizzatore Iridium con struttura in legno.

Ulteriori dettagli su S-nTP possono essere trovati in un precedente documento dei ricercatori intitolato ” Stampa nanotransfer ad alta risoluzione applicabile a diverse superfici tramite commutazione dell’adesione mirata all’interfaccia” , pubblicato sulla rivista Nature Communications. L’articolo è stato scritto in collaborazione con J. Jeong, S. Yang, Y. Hur, S. Kim, K. Baek, S. Yim, H. Jang, J. Park, S. Lee, C. Park e Y. Jung.

Attraverso il processo S-nTP, il team di ricerca è stato in grado di rivelare miglioramenti significativi nell’attività dell’ECSA risultanti dall’accesso uniforme dei reagenti dell’acqua alla superficie catalitica. Lo studio ha anche rivelato che il metodo ha consentito il facile trasporto e la rimozione dei prodotti di ossigeno gassoso evoluti attraverso i canali dei pori ben definiti del catalizzatore, ottimizzati attraverso la reingegnerizzazione delle nanostrutture del catalizzatore.

Di conseguenza, il catalizzatore strutturato in catasta di legna si è dimostrato 20 volte più efficiente rispetto ad altri catalizzatori all’iridio per la produzione di idrogeno attualmente esistenti.

Nell’articolo, i ricercatori hanno concluso: “Ci aspettiamo che questi risultati forniscano un grande passo verso lo sviluppo di catalizzatori OER altamente fattibili semplicemente controllando le loro microstrutture 3D anche senza alcun cambiamento delle caratteristiche fisicochimiche. Pertanto, ci sarà ampio spazio per migliorare ulteriormente le prestazioni OER dei nostri catalizzatori strutturati in catasta di legno attraverso la combinazione sinergica con altri approcci su nuove composizioni elementari “.

Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nell’articolo intitolato “Reazione di evoluzione dell’ossigeno altamente efficiente tramite un facile trasporto di bolle realizzato da catalizzatori stampati in pila tridimensionale“, pubblicato sulla rivista Nature Communications. Lo studio è co-autore di Y. Kim, A. Lim, J. Kim, D.Lim, K.Chae, E. Cho, H. Han, K.Jeon, M. Kim, GH Lee, GR Lee, H Ahn, H. Park, H. Kim, JY Kim e Y. Jung.

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