Una reazione elettrochimica che divide le molecole d'acqua per produrre ossigeno è al centro di molteplici ricerche che mirano a produrre combustibili alternativi per il trasporto. Ma questa reazione deve essere facilitata da un materiale catalizzatore, e le versioni odierne richiedono l'uso di elementi rari e costosi come l'iridio, limitando il potenziale di tale produzione di combustibile.
Ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un tipo completamente nuovo di materiale catalizzatore, chiamato struttura organica idrossido metallico (MHOF), che è fatta di componenti economici e abbondanti. La famiglia di materiali consente agli ingegneri di sintonizzare con precisione la struttura e la composizione del catalizzatore in base alle esigenze di un particolare processo chimico e può quindi eguagliare o superare le prestazioni dei catalizzatori convenzionali e più costosi.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials il 24 febbraio 2022, in un articolo del postdoc del MIT Shuai Yuan, dello studente laureato Jiayu Peng, del professor Yang Shao-Horn, del professor Yuriy Román-Leshkov e di altri nove.
I processi per la produzione di combustibili includono: la generazione di idrogeno come sottoprodotto dell'ossigeno, che può essere utilizzato direttamente come combustibile o subire reazioni chimiche per produrre altri carburanti per il trasporto; la fabbricazione di ammoniaca, per l'uso come fertilizzante o materia prima chimica; e riduzione dell'anidride carbonica al fine di controllare le emissioni.
Ma senza aiuto, "queste reazioni sono lente", ha spiegato Shao-Horn. "Per una reazione con cinetica lenta, devi sacrificare la tensione o l'energia per promuovere la velocità di reazione". A causa dell'apporto energetico aggiuntivo richiesto, "l'efficienza complessiva è bassa. Ecco perché si usano i catalizzatori", ha aggiunto, poiché questi materiali promuovono naturalmente le reazioni abbassando l'input di energia.
Ma fino ad ora, questi catalizzatori "si basavano tutti su materiali costosi o metalli di transizione tardiva che sono molto scarsi, ad esempio l'ossido di iridio, e c'è stato un grande sforzo nella comunità per trovare alternative basate su materiali abbondanti sulla Terra che hanno le stesse prestazioni in termini di attività e stabilità", ha dichiarato Román-Leshkov. Il team afferma di aver trovato materiali che forniscono esattamente quella combinazione di caratteristiche.
Altri team hanno esplorato l'uso di idrossidi metallici, come gli idrossidi di nichel-ferro, ha spiegato Román-Leshkov, ma tali materiali sono stati difficili da adattare ai requisiti di applicazioni specifiche. Ora, però, "il motivo per cui il nostro lavoro è piuttosto eccitante è che abbiamo trovato un modo per personalizzare le proprietà nanostrutturando questi idrossidi metallici in un modo unico".
Il team ha preso in prestito da un'altra ricerca una classe di composti noti come strutture metallo-organiche (MOF), che sono una sorta di struttura cristallina fatta di nodi di ossido di metallo collegati tra loro con molecole organico. Sostituendo l'ossido di metallo in tali materiali con alcuni idrossidi metallici, il team ha scoperto che è diventato possibile creare materiali sintonizzabili con precisione che avevano anche la stabilità necessaria per essere potenzialmente utili come catalizzatori.
Nel testare tali materiali, i ricercatori hanno scoperto che le loro prestazioni erano straordinarie. Essendo composti in gran parte da nichel e ferro, questi materiali dovrebbero essere almeno 100 volte più economici dei catalizzatori esistenti, anche se il team non ha ancora fatto un'analisi economica completa.
I materiali possono fornire "una sintonizzazione cinque volte maggiore" rispetto ai catalizzatori a base di nichel esistenti, ha spiegato Peng, semplicemente sostituendo metalli diversi al posto del nichel nel composto. "Questo offrirebbe potenzialmente molte strade per scoperte future". I materiali possono anche essere prodotti in fogli estremamente sottili, che potrebbero poi rivestire altri materiali, riducendo ulteriormente i costi di tali sistemi.
Finora, i materiali sono stati testati in dispositivi di test di laboratorio su piccola scala e il team sta ora affrontando i problemi di scalare il processo su scale commercialmente rilevanti, che potrebbero richiedere ancora alcuni anni. Ma l'idea ha un grande potenziale, ha dichiarato Shao-Horn, per aiutare a catalizzare la produzione di combustibile a idrogeno pulito e privo di emissioni, in modo da "ridurre il costo dell'idrogeno da questo processo senza essere vincolati dalla disponibilità di metalli preziosi".