Un nuovo studio svela i misteri atomici dei catalizzatori con una tecnologia rivoluzionaria del Berkeley Lab

RomeScienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno ideato un nuovo metodo per studiare i processi elettrochimici a livello atomico. Il loro approccio chiarisce il funzionamento di comuni catalizzatori. Hanno introdotto un dispositivo chiamato cella liquida polimerica (PLC), che consente ai ricercatori di congelare le reazioni e osservarle in diverse fasi.

Le reazioni elettrochimiche sono fondamentali per:

• Batterie
• Celle a combustibile
• Elettrolisi
• Generazione di carburante con energia solare
• Processi biologici come la fotosintesi

Il PLC può collaborare con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per osservare le reazioni a livello atomico con grande chiarezza. Questa tecnologia potrebbe contribuire a migliorare diverse tecnologie elettrochimiche.

Il team del Laboratorio di Berkeley ha testato il loro metodo su un catalizzatore di rame. I catalizzatori di rame possono trasformare l’anidride carbonica in sostanze chimiche come metanolo, etanolo e acetone. I test hanno rivelato cambiamenti sorprendenti nell'interfaccia tra fase solida e liquida durante la reazione.

Gli scienziati del Berkeley Lab hanno utilizzato microscopi avanzati per studiare come gli atomi di rame si muovono e si mescolano con atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno provenienti da una soluzione liquida. Hanno osservato che questa miscela forma uno strato che non è né completamente solido né liquido. Questo strato scompare quando la corrente elettrica si interrompe, e gli atomi di rame ritornano alla loro posizione originale.

Approfondire la conoscenza di questo strato intermedio poco chiaro può contribuire a sviluppare catalizzatori più efficienti e sistemi più duraturi. È fondamentale comprendere come i catalizzatori si degradano per apportare miglioramenti.

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Questa cella liquida ci permette di osservare in tempo reale ciò che accade al confine tra solido e liquido durante le reazioni. Possiamo vedere come si muovono e cambiano gli atomi sulla superficie del catalizzatore. Queste informazioni sono fondamentali per progettare catalizzatori più efficienti," ha dichiarato Haimei Zheng, un ricercatore senior presso la Divisione di Scienza dei Materiali del Berkeley Lab.

Lo studio ha coinvolto i ricercatori Zhigang Song dell'Università di Harvard, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang, e Yu Huang.

Zhang ha illustrato che la scoperta della fase amorfa modifica ciò che sapevamo in precedenza. Durante la reazione, la struttura di questa fase cambia, influenzando le prestazioni. Studiando queste variazioni, possiamo trovare modi per migliorare l'efficienza dei catalizzatori.

Un nuovo studio è stato pubblicato il 19 giugno su Nature. La ricerca è stata finanziata dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Il Molecular Foundry, una struttura supportata dallo stesso ufficio del DOE, ha contribuito a questo lavoro.

Gli scienziati sono entusiasti di applicare questa tecnologia ad altri materiali. Attualmente stanno esaminando i problemi legati alle batterie al litio e zinco. Le informazioni ottenute dal TEM abilitato con PLC potrebbero contribuire notevolmente a migliorare molte tecnologie elettrochimiche.