"Il nostro approccio ci ha permesso di esplorare come la distribuzione delle dimensioni su nanoscala si evolve in funzione delle condizioni operative e di identificare due diversi meccanismi che possiamo quindi utilizzare per guidare i nostri sforzi per stabilizzare questi sistemi e proteggerli dalla degradazione", ha affermato Walter Drisdell, scienziato del personale presso la Divisione di Scienze Chimiche del Berkeley Lab e ricercatore principale presso LiSA.
In un rivoluzionario studio condotto negli Stati Uniti, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dello SLAC National Accelerator Laboratory hanno svelato i meccanismi fondamentali che limitano le prestazioni dei catalizzatori di rame. Questi catalizzatori sono componenti cruciali nella fotosintesi artificiale, un processo che trasforma l'anidride carbonica e l'acqua in combustibili e sostanze chimiche di valore.
I risultati, pubblicati sul Journal of the American Chemical Society, offrono informazioni senza precedenti sulla degradazione del catalizzatore, una sfida che ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni.
Utilizzando sofisticate tecniche a raggi X, il team ha osservato direttamente come cambiano le nanoparticelle di rame durante il processo catalitico. Hanno applicato la diffusione di raggi X a piccolo angolo (SAXS) per ottenere informazioni sulla degradazione del catalizzatore. Ciò ha permesso loro di identificare e osservare due meccanismi concorrenti che portano le nanoparticelle di rame sull'orlo della degradazione in un catalizzatore di reazione di riduzione elettrochimica del CO (CORR): la migrazione e la coalescenza delle particelle (PMC) e la maturazione di Ostwald.
I ricercatori hanno scoperto che il processo PMC domina nei primi 12 minuti della reazione CORR, seguito dalla maturazione di Ostwald. Tensioni inferiori innescano la migrazione e l'agglomerazione del processo PMC, mentre tensioni maggiori accelerano le reazioni, aumentando la dissoluzione e il processo di rideposizione della maturazione di Ostwald.
Queste scoperte suggeriscono varie strategie di mitigazione per proteggere i catalizzatori. Questi includono materiali di supporto migliorati per limitare il PMC, o strategie di lega e rivestimenti fisici per rallentare la dissoluzione e ridurre la maturazione di Ostwald. Studi futuri si concentreranno sul test di diversi schemi di protezione e sulla progettazione di rivestimenti catalitici per indirizzare le reazioni CORR verso la produzione di combustibili e sostanze chimiche specifiche.