Nanostrutture di iridio appositamente progettate e depositate su ossido di tantalio mesoporoso migliorano la conduttività, l'attività catalitica e la stabilità a lungo termine.
Immagine: Ricercatori in Corea del Sud e negli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo catalizzatore all'iridio con una maggiore attività nella reazione di evoluzione dell'ossigeno per facilitare l'elettrolisi dell'acqua a basso costo con una membrana a scambio protonico per produrre idrogeno. Scopri di più
Il fabbisogno energetico mondiale continua a crescere. L'energia dell'idrogeno trasportabile rappresenta una grande promessa nella ricerca di soluzioni energetiche pulite e sostenibili. A questo proposito, gli elettrolizzatori ad acqua a membrana a scambio protonico (PEMWE), che convertono l'energia elettrica in eccesso in energia dell'idrogeno trasportabile tramite elettrolisi dell'acqua, hanno suscitato grande interesse. Tuttavia, la loro applicazione su larga scala nella produzione di idrogeno rimane limitata a causa della lenta velocità della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), una componente importante dell'elettrolisi, e dell'elevato carico di costosi catalizzatori a base di ossidi metallici come l'iridio (Ir) e l'ossido di rutenio negli elettrodi. Pertanto, lo sviluppo di catalizzatori OER economici e ad alte prestazioni è necessario per l'ampia applicazione dei PEMWE.

Recentemente, un team di ricerca coreano-americano guidato dal professor Changho Park del Gwangju Institute of Science and Technology in Corea del Sud ha sviluppato un nuovo catalizzatore nanostrutturato a base di iridio e ossido di tantalio mesoporoso (Ta2O5) attraverso un metodo migliorato di riduzione con acido formico per ottenere un'elettrolisi efficiente dell'acqua PEM. La loro ricerca è stata pubblicata online il 20 maggio 2023 e sarà pubblicata nel volume 575 del Journal of Power Sources il 15 agosto 2023. Lo studio è stato co-firmato dal dottor Chaekyong Baik, ricercatore presso il Korea Institute of Science and Technology (KIST).
"La nanostruttura di Ir ricca di elettroni è uniformemente dispersa su un substrato mesoporoso stabile di Ta2O5 preparato con il metodo del soft template combinato con il processo di avvolgimento con etilendiammina, che riduce efficacemente il contenuto di Ir di ​​una singola batteria PEMWE a 0,3 mg cm-2", ha spiegato il professor Park. È importante notare che l'innovativo design del catalizzatore Ir/Ta2O5 non solo migliora l'utilizzo dell'iridio, ma presenta anche una maggiore conduttività e una più ampia area superficiale elettrochimicamente attiva.
Inoltre, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la spettroscopia di assorbimento a raggi X rivelano forti interazioni metallo-supporto tra Ir e Ta, mentre i calcoli di teoria del funzionale della densità indicano un trasferimento di carica da Ta a Ir, che causa un forte legame di adsorbenti come O e OH e mantiene il rapporto Ir(III) durante il processo di ossidazione OOP. Ciò a sua volta si traduce in una maggiore attività di Ir/Ta2O5, che ha una sovratensione inferiore di 0,385 V rispetto a 0,48 V per IrO2.
Il team ha inoltre dimostrato sperimentalmente l'elevata attività OER del catalizzatore, osservando una sovratensione di 288 ± 3,9 mV a 10 mA cm-2 e un'attività di massa di Ir significativamente elevata di 876,1 ± 125,1 A g-1 a 1,55 V rispetto al valore corrispondente per il Sig. Black. Infatti, Ir/Ta2O5 mostra un'eccellente attività e stabilità OER, ulteriormente confermata da oltre 120 ore di funzionamento di una singola cella dell'assemblaggio membrana-elettrodo.
Il metodo proposto presenta il duplice vantaggio di ridurre il livello di carico Ir e di aumentare l'efficienza dell'OER. "L'aumento dell'efficienza dell'OER si aggiunge all'efficienza in termini di costi del processo PEMWE, migliorandone così le prestazioni complessive. Questo risultato potrebbe rivoluzionare la commercializzazione del PEMWE e accelerarne l'adozione come metodo principale di produzione di idrogeno", afferma con ottimismo il professor Park.

Nel complesso, questo sviluppo ci avvicina al raggiungimento di soluzioni sostenibili per il trasporto di energia a idrogeno e, di conseguenza, al conseguimento della neutralità carbonica.
Informazioni sul Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) Il Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) è un'università di ricerca situata a Gwangju, in Corea del Sud. Fondato nel 1993, il GIST è diventato uno degli istituti più prestigiosi della Corea del Sud. L'università si impegna a creare un solido ambiente di ricerca che promuova lo sviluppo della scienza e della tecnologia e favorisca la collaborazione tra progetti di ricerca nazionali e internazionali. Fedele al motto "Orgogliosi di plasmare la scienza e la tecnologia del futuro", il GIST si posiziona costantemente tra le migliori università della Corea del Sud.
Informazioni sugli autori Il Dott. Changho Park è professore presso il Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) dall'agosto 2016. Prima di entrare a far parte del GIST, ha ricoperto la carica di Vicepresidente di Samsung SDI e ha conseguito un Master presso Samsung Electronics SAIT. Ha conseguito la laurea triennale, la laurea magistrale e il dottorato di ricerca presso il Dipartimento di Chimica del Korea Institute of Science and Technology, rispettivamente nel 1990, 1992 e 1995. La sua attuale ricerca si concentra sullo sviluppo di materiali catalitici per assemblaggi di elettrodi a membrana in celle a combustibile ed elettrolisi utilizzando carbonio nanostrutturato e supporti di ossidi metallici misti. Ha pubblicato 126 articoli scientifici e ha ottenuto 227 brevetti nel suo campo di competenza.
Il Dott. Chaekyong Baik è un ricercatore presso il Korea Institute of Science and Technology (KIST). Si occupa dello sviluppo di catalizzatori PEMWE OER e MEA, con particolare attenzione ai catalizzatori e ai dispositivi per le reazioni di ossidazione dell'ammoniaca. Prima di entrare a far parte del KIST nel 2023, Chaekyong Baik ha conseguito il dottorato di ricerca in Integrazione Energetica presso il Gwangju Institute of Science and Technology.
La nanostruttura mesoporosa di iride supportata da Ta2O5 ricco di elettroni può migliorare l'attività e la stabilità della reazione di evoluzione dell'ossigeno.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari o relazioni personali in conflitto che avrebbero potuto influenzare il lavoro presentato in questo articolo.
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