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L'argento cambia ruolo nelle celle per energia e idrogeno
Un gruppo guidato dalla Seoul National University, con ricercatori del KAIST e del Korea Basic Science Institute, ha chiarito come i nanocatalizzatori d'argento cambino sito e meccanismo d'azione in base alla modalità operativa di una cella elettrochimica. Quando il dispositivo genera elettricità lavora soprattutto l'interfaccia tra metallo ed elettrodo; durante la produzione di idrogeno diventa invece determinante la superficie delle nanoparticelle.
Le celle a ossidi solidi trasportano ioni ossigeno attraverso un elettrolita ceramico ad alta temperatura. Possono funzionare come celle a combustibile, convertendo energia chimica in elettricità, oppure in senso inverso, usando energia elettrica per scindere l'acqua e ottenere idrogeno. La velocità delle reazioni all'elettrodo dell'aria condiziona prestazioni, consumi e durata del sistema.
Lo studio, pubblicato su Energy & Environmental Science, ha affrontato un'incertezza rimasta aperta nelle ricerche precedenti: non era chiaro se l'attività catalitica avvenisse principalmente sulla superficie del metallo o lungo il confine con l'elettrodo. La struttura irregolare degli elettrodi reali rende infatti difficile isolare il contributo delle singole particelle.
I ricercatori hanno quindi costruito elettrodi modello, depositando schiere ordinate di nanoparticelle su un sottile strato di ossido perovskitico. Dopo avere confrontato argento, cobalto, palladio e platino, hanno rilevato nell'argento il maggiore incremento dell'attività. Durante la reazione di riduzione dell'ossigeno, associata alla generazione elettrica, la velocità è aumentata insieme alla lunghezza dell'interfaccia catalizzatore-elettrodo.
Il comportamento si è capovolto nella reazione di evoluzione dell'ossigeno, che accompagna il funzionamento elettrolitico per produrre idrogeno. In questo caso la velocità è cresciuta con la superficie delle nanoparticelle, indicando che il sito decisivo non era più il loro perimetro di contatto, ma il metallo esposto. Variazioni controllate della tensione applicata e della concentrazione di ossigeno hanno permesso di distinguere ulteriormente i due processi.
Secondo l'interpretazione del gruppo, nella riduzione l'argento facilita il trasferimento di elettroni verso l'ossigeno. Nell'evoluzione favorisce invece l'unione degli atomi di ossigeno e il successivo rilascio delle molecole formate. Le analisi al sincrotrone, combinate con calcoli teorici su scala atomica, suggeriscono inoltre che il catalizzatore modifichi la struttura elettronica della superficie dell'elettrodo.
I risultati derivano da una piattaforma modello e dovranno essere tradotti e verificati in dispositivi completi, dove materiali, porosità e condizioni operative sono molto più complessi. Indicano però che superficie e interfaccia devono essere ottimizzate separatamente: una strategia che potrebbe aumentare l'efficienza delle celle reversibili, ridurre l'elettricità richiesta per ottenere idrogeno verde e migliorare i sistemi capaci di alternare produzione e accumulo energetico.
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