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Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo catalizzatore a bassa temperatura per produrre idrogeno, utilizzando il monossido di carbonio (CO). La scoperta, descritta in un articolo pubblicato online sulla rivista Science il 22 giugno 2017, potrebbe migliorare le prestazioni delle celle a combustibile che funzionano con l’idrogeno ma che possono essere tossiche con il monossido di carbonio.
«Questo catalizzatore produce una forma più pura di idrogeno», ha detto José Rodriguez, chimico presso il Brookhaven National Laboratory di Brooklyn, Dipartimento dell’Energia americana (DOE). Rodriguez e i suoi colleghi della divisione Chimica di Brookhaven, Ping Liu e Wenqian Xu, erano tra i team di scienziati che hanno contribuito a caratterizzare i dettagli strutturali e meccanici del catalizzatore, sintetizzato e testato dai collaboratori dell’Università di Pechino, in uno sforzo condotto dal professore di chimica Ding Ma.
Poiché il catalizzatore funziona a bassa temperatura e a bassa pressione per convertire l’acqua (H2O) e il monossido di carbonio (CO) in idrogeno (H2) e anidride carbonica (CO2), potrebbe anche abbassarne i costi di funzionamento.
«Con temperatura e pressione bassa, il consumo di energia sarà più basso e la configurazione sperimentale sarà meno costosa e più facile da usare in piccole impostazioni, come le celle a combustibile per le automobili», ha detto Rodriguez.
Come funziona il catalizzatore
Il catalizzatore è costituito da cluster di nanoparticelle d’oro stratificate su un substrato di molibdeno-carburo. Questa combinazione chimica è abbastanza diversa dai catalizzatori a base di ossidi utilizzati per alimentare la reazione di spostamento del gas ad acqua in grandi impianti di produzione di idrogeno industriale.
«I carburi sono più chimicamente reattivi degli ossidi», ha detto Rodriguez, «e l’interfaccia di carburo-oro ha buone proprietà per la reazione del gas di scambio dell’acqua; Interagisce meglio con l’acqua di metalli puri».
«Il gruppo all’università di Pechino ha scoperto un nuovo metodo sintetico, e questo è stato un vero passo avanti», ha detto Rodriguez. «Hanno trovato un modo per ottenere una configurazione degli atomi, che è altamente attiva per questa reazione».
Il team ha condotto studi strutturali utilizzando la diffrazione a raggi X presso la National Synchrotron Light Source (NSLS), mentre il catalizzatore era operativo in ambito industriale. Questi esperimenti hanno rivelato dettagli cruciali su come la struttura è cambiata in condizioni operative e a temperature diverse.
«Abbiamo modellato diverse interfacce di carburo, oro e molibdeno e abbiamo studiato il meccanismo di reazione per identificare esattamente dove si verificano le reazioni: i siti attivi in cui gli atomi sono vincolanti e le forme di rottura e riformazione».
Ulteriori studi e due strutture di ricerca per l’acceleratore di particelle, in Cina, hanno offerto maggiori conoscenze agli scienziati.
Una reazione non semplice
«Questa è una reazione complessa multipla», ha detto Liu, ma ha notato un fattore essenziale: «L’interazione tra l’oro e il substrato di carburo è molto importante. L’oro normalmente lega le cose molto debolmente. Con questo metodo di sintesi otteniamo una maggiore aderenza dell’oro al carburo di molibdeno in modo controllato».
Questa configurazione stabilizza il fattore chiave intermedio che spiega come il processo di reazione e la stabilità di quell’intermedio determina la velocità di produzione dell’idrogeno.
Il team di Brookhaven continuerà a studiare questo e altri catalizzatori di carburo con nuove funzionalità alla National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una nuova struttura aperta a Brookhaven Lab nel 2014, sostituendo NSLS e producendo raggi x che sono 10.000 volte più luminosi. Con questi raggi x più luminosi, gli scienziati sperano di acquisire ulteriori dettagli della chimica in azione, compresi i dettagli degli intermedi che si formano durante il processo di reazione per convalidare le previsioni teoriche fatte in questo studio.
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