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Visualising Electrocatalysis at the Nanoscale

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Attività catalitica di una singola nanoparticella

L'elettrocatalisi gioca un ruolo fondamentale in molte nuove tecnologie energetiche come ad esempio le celle a combustibile. Un nuovo studio finanziato dall'UE ha gettato nuova luce sui meccanismi dell'attività elettrocatalitica a livello delle singole nanoparticelle (NP) e promette nuove strade verso l'ottimizzazione.

Energia

Nel mondo esiste un considerevole interesse verso i sistemi di NP di metalli nobili su supporti nanostrutturati per elettrodi di carbonio. I supporti sono spesso grafene, nanotubi di carbonio a parete singola, grafite o diamante conduttivo. Lo sfruttamento efficace di simili sistemi elettrocatalitici richiede una comprensione estremamente dettagliata dei processi a livello della singola NP. La collaborazione tra laboratori specializzati in elettrocatalisi ed elettrochimica ad alta risoluzione e imaging per il progetto VISELCAT ("Visualising electrocatalysis at the nanoscale"), finanziato dall'UE, è stata molto proficua. Il successo è stato incoraggiato dallo sviluppo da parte degli scienziati della pioneristica microscopia elettrochimica a scansione della cella (SECCM) capace di sondare singoli siti sulle superfici dell'elettrodo. Grazie alla risoluzione spaziale e temporale estremamente elevata, gli scienziati hanno innanzitutto risposto a molte domande aperte riguardanti le proprietà di trasferimento dell'elettrone dei materiali di supporto dell'elettrodo. In particolare, un lavoro all'avanguardia sulla grafite pirolitica altamente orientata ha dimostrato la necessità di correggere gli attuali libri di testo. I ricercatori hanno utilizzato la SECCM anche per studiare la formazione di NP, svelando il ruolo precedentemente sottovalutato dell'interazione tra NP e materiali del substrato. Le scoperte stanno guidando nuovi studi sui processi di elettrodeposizione. Infine, gli scienziati hanno studiato i materiali elettrocatalitici con la SECCM. Le scoperte mostrano che la struttura del grano e l'orientamento della superficie dei singoli grani sono importanti per la reattività localizzata. Studi sulla reattività di singole NP all'interno di un insieme di NP di platino su un singolo nanotubo di carbonio hanno mostrato che leggere variazioni nella morfologia della NP cambiano drasticamente la reattività. Una disposizione innovativa che unisce una pipetta molto piccola con la SECCM ha facilitato lo studio dell'atterraggio di singole NP su materiali del substrato dell'elettrodo. La bassa corrente di fondo ha consentito agli scienziati di rilevare minuscoli segnali di corrente provenienti dalle NP con una buona risoluzione temporale. Perciò il team è stato in grado per la prima volta di caratterizzare le proprietà combinate elettrochimiche e fisiche a livello della singola NP. Le scoperte sono state già pubblicate in otto studi a revisione paritaria in importanti riviste scientifiche e altri sono in fase di preparazione. I risultati e le tecniche di VISELCAT aprono la strada all'ottimizzazione della elettrocatalisi mediante la manipolazione di dimensioni e attività catalitica di nanocatalizzatori a livello della singola NP. Una diffusa adozione promette rapidi progressi e svolte attese da lungo tempo nella elettrocatalisi per sistemi di energia alternativa, sensori, depurazione dell'acqua e sintesi chimica.

Parole chiave

Nanoparticella, attività catalitica, elettrocatalisi, tecnologie energetiche, attività elettrocatalitica, nanoparticelle singole, elettrodo carbonio, elettrochimica, nanoscala, microscopia elettrochimica a scansione della cella, grafite pirolitica, trasfe

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