Sintesi di catalizzatori ad atomo isolato mediante attivazione termica assistita simile all’impoverimento da idrogeno per la riduzione dell’ossigeno in ambiente acido

Trasformare atomi metallici in aiutanti efficienti

Le celle a combustibile possono trasformare l’idrogeno in elettricità emettendo solo acqua, ma dipendono da catalizzatori costosi e talvolta fragili per accelerare la reazione chiave con l’ossigeno. Questo studio presenta un nuovo modo di disporre metalli preziosi come rodio, palladio, platino e oro come atomi isolati sul carbonio, rendendoli più efficienti e durevoli pur usando molto meno metallo. Il lavoro prende spunto da come l’idrogeno può indebolire i metalli e applica quell’idea per costruire dispositivi per l’energia pulita più performanti.

Perché gli atomi singoli sono importanti

In molte reazioni di celle a combustibile e batterie, metalli come ferro, cobalto e manganese sono già impiegati come atomi isolati per catalizzare passaggi chimici con grande precisione. Fare lo stesso con metalli più pesanti come il rodio e il platino potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni, ma questi metalli si attraggono fortemente e tendono a raggrupparsi in cluster o nanoparticelle. Quando ciò accade, partecipano alla reazione solo gli atomi in superficie e gran parte del materiale costoso viene sprecata. La sfida è separare questi metalli in atomi distinti e impedire che si ricombinino durante gli alti riscaldamenti necessari per ottenere catalizzatori pratici.

Usare l’idrogeno per separare i cluster

I ricercatori si sono ispirati all’impoverimento da idrogeno, un noto problema in cui l’idrogeno si insinua nei metalli e li rende più soggetti a fessurazioni. Nel loro progetto, piccoli cluster di un metallo nobile sono contenuti in un materiale carbonioso poroso ricco di azoto. Quando il materiale viene riscaldato in una corrente di gas idrogeno, atomi di idrogeno penetrano nel cluster metallico e allontanano leggermente gli atomi di metallo. Calcoli al computer mostrano che questo stato saturato di idrogeno abbassa la barriera energetica perché un atomo metallico lasci il cluster e si sposti verso un sito azotato nel carbonio. Esperimenti con microscopie elettroniche ad alta risoluzione e tecniche a raggi X confermano che, all’aumentare della temperatura, i cluster metallici si riducono e infine scompaiono, sostituiti da atomi singoli isolati legati ciascuno a quattro atomi di azoto nel carbonio.

Prestazioni del catalizzatore a base di rodio in ambiente acido aggressivo

Per verificare l’efficacia della strategia in dispositivi reali, il team si è concentrato sul rodio come metallo modello per la reazione di riduzione dell’ossigeno in condizioni acide, l’ambiente impegnativo presente in molte celle a combustibile a membrana a scambio protonico. Un campione riscaldato a 950 gradi Celsius sotto idrogeno ha prodotto una fitta rete di siti singoli di rodio e ha mostrato un’attività per la riduzione dell’ossigeno molto superiore rispetto a materiale trattato senza idrogeno. Nei test con elettrodo rotante, si è avvicinato alle prestazioni dei catalizzatori commerciali a base di platino fornendo quasi una conversione completa a quattro elettroni dell’ossigeno in acqua con pochissimo perossido come sottoprodotto. Il catalizzatore a base di rodio ha inoltre mantenuto la sua attività dopo 30.000 cicli di prova, surclassando ampiamente un catalizzatore a base di ferro all’avanguardia.

Dal catalizzatore modello alla cella a combustibile funzionante

Il team ha poi assemblato celle a combustibile complete usando il catalizzatore a base di rodio trattato con idrogeno al catodo. In condizioni pratiche con idrogeno e aria, le celle hanno raggiunto potenze che eguagliano o superano molti sistemi non a base di platino e non a base di ferro riportati in letteratura, con buona efficienza. Importante: dopo 30.000 rapide variazioni di tensione progettate per simulare un uso intenso, la cella con rodio ha mantenuto più di quattro quinti della potenza massima, mentre quella a base di ferro ha perso circa la metà. Ulteriori analisi chimiche e simulazioni suggeriscono che i siti di rodio sono legati più saldamente al carbonio e sono meno inclini a generare specie reattive che possono danneggiare il supporto e la membrana conduttrice di ioni.

Una nuova ricetta per i materiali energetici del futuro

Per un non specialista, il messaggio principale è che l’uso controllato dell’idrogeno durante il trattamento termico può separare delicatamente i cluster di metallo prezioso e fissare gli atomi liberati su un supporto stabile. Questa idea semplice trasforma un effetto indesiderato di indebolimento del metallo in uno strumento per costruire catalizzatori altamente efficienti e duraturi utilizzando molto meno materiale costoso. Poiché il metodo funziona anche per palladio, platino e oro, offre una ricetta generale per progettare materiali migliori per celle a combustibile e altre tecnologie energetiche che dipendono da reazioni di ossigeno pulite ed efficienti.

Citazione: Guo, P., Dai, Y., Zhang, Y. et al. Synthesis of atomically dispersed catalysts via hydrogen embrittlement-like assisted thermal activation for acidic oxygen reduction. Nat Commun 17, 4701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71340-z

Parole chiave: catalizzatore ad atomo singolo, riduzione dell’ossigeno, cella a combustibile, catalizzatore a base di rodi o, trattamento con idrogeno