Abbattere i costi aumentando la superficie attiva ed evitando il ricorso a metalli preziosi, ma garantendo al contempo un’efficienza elevata, è il sacro Graal nel campo dei catalizzatori per la produzione di idrogeno verde tramite reazione elettrochimica. Trovare materiali abbondanti e a basso costo, come metalli di transizione (ferro, cobalto, nichel), che abbiano prestazioni comparabili ai catalizzatori basati su platino, palladio e iridio, è una sfida continua. Così come resta sfidante mantenere prestazioni affidabili in termini di durabilità. O, ancora, fare affidamento su tecnologie che permettano, sì, di progettare su scala nanometrica e assicurare una distribuzione uniforme di siti attivi, ma senza far lievitare i costi.
Per alcuni di questi aspetti, fa dei passi in avanti la novità messa a punto da un gruppo di ricercatori di 3 istituti della rete del Cnr a Bari, Firenze e Palermo: un catalizzatore al grafene o, meglio, dal “cuore di grafene”, in abbinamento al nickel.
Nigraf, il catalizzatore al grafene del Cnr
Il catalizzatore grafene-nickel del Cnr è stato ribattezzato “Nigraf” e ha una fondamentale novità nel design. Il dispositivo incapsula una struttura di ossido di grafene all’interno, non alla superficie, del reticolo cristallino di nanoparticelle a base di nickel.
“In questo modo la speciale struttura planare del grafene interagisce in modo vantaggioso con il reticolo cristallino di nanoparticelle a base di nickel, determinando un aumento di efficienza e stabilità del catalizzatore per effetto cooperativo tra le due fasi cristalline”, spiega Rocco Caliandro, prima firma dello studio apparso su Cell Reports Physical Science.
Più in dettaglio, il Nigraf combina il grafene ossidato con nanoparticelle di nickel in una forma di minerale chiamata jamborite, ossia una combinazione di idrossido di nickel e ossido di nickel, (Ni(OH)₂/NiOOH). La sua produzione avviene con un procedimento relativamente semplice che coinvolge acqua, sale di nickel come materiale di base, ossido di grafene, e sodio boridrato (un agente riducente che aiuta a ridurre i composti chimici a forme più stabili).
Il gruppo di ricerca ha analizzato la struttura nanomolecolare del campione così ottenuto con una tecnica chiamata Pair Distribution Function (PDF), che consente di comprendere come il grafene influisce sulla struttura delle nanoparticelle di nickel nelle diverse fasi cristalline del materiale. In altri termini, permette di monitorare in tempo reale le transizioni di fase e le modifiche strutturali del catalizzatore durante le reazioni elettrochimiche. In questo modo, fornisce informazioni sulla correlazione tra proprietà strutturali e prestazioni catalitiche.