Gli elettrocatalizzatori abiotici e biotici sono molto importanti per la riduzione dell'ossigeno in elettroliti a pH neutro associati ai sistemi bioelettrochimici. Questo campo di studio interdisciplinare copre elettrocatalisi, elettrochimica, elettrocatalisi inorganica, bioelettrochimica, ingegneria degli elettrodi e fenomeni di trasporto a diverse scale spaziali. Un team internazionale di esperti ha riassunto i principali risultati in questo ampio campo nella rassegna “Oxygen reduction reaction electrocatalysis in neutral media for bioelectrochemical systems” (DOI: s41929-022-00787-2) pubblicata sulla rivista Nature Catalysis (Impact Factor 40.706, Journal Citation Report (Clarivate Analytics, 2020)), identificando le limitazioni e tracciando la roadmap per l'applicazione pratica nei sistemi bioelettrochimici. Questo lavoro di review è stato condotto dal Dott. Carlo Santoro, responsabile dell’Electrocatalysis and Bioelectrocatalysis Lab (EBLab) del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell'Università degli Studi di Milano-Bicocca insieme al Dott. Paolo Bollella (Università degli Studi di Bari Aldo Moro), Dott. Benjamin Erable ( Laboratoire de Genie Chimique CNRS Toulouse), il Prof. Plamen Atanassov (Università della California Irvine) e il Dr. Deepak Pant (Flemish Institute for Technological Research (VITO)).
Perchè la reazione di riduzione dell’ossigeno è importante?
La reazione di riduzione dell'ossigeno è una delle reazioni più studiate nel campo dell'elettrochimica principalmente legata a sistemi quali le celle a combustibile, le batterie, il sensing e la corrosione. L'ossigeno come reagente è molto prezioso perché è prontamente disponibile, praticamente a costo e peso zero poiché è presente in abbondanza e naturalmente nell'atmosfera e ha un alto potenziale red-ox. Tuttavia, questa reazione è meno studiata a pH neutro quando combinata con materia biologica come enzimi e batteri e utilizzata all'interno dei sistemi bioelettrochimici.
Qual è il vantaggio di questa reazione accoppiata ai sistemi bioelettrochimici?
I sistemi bioelettrochimici sono utilizzati per il trattamento delle acque reflue, la trasformazione di sostanze organiche, la produzione di prodotti aggiunti di valore, la desalinizzazione e il rilevamento. Si basano su sostanze biotiche (enzimi o batteri) che colonizzano l'elettrodo anodico e questi microorganismi sono in grado di utilizzare la materia organica come combustibile e contemporaneamente degradare le molecole organiche e produrre un flusso di elettroni (es. elettricità). Il circuito viene quindi chiuso con la riduzione dell'ossigeno che si verifica al catodo. La reazione di riduzione dell'ossigeno è quindi cruciale per il funzionamento di questi sistemi. Il miglioramento della reazione di riduzione dell’ossigeno, che spesso è la fase limitante, migliorerebbe anche l'efficienza dell'intero sistema bioelettrochimico. Sono riportati pochi esempi di elettrocatalizzatori integrati in elettrodi su larga scala e uno di questi proviene dal Flemish Institute for Technological Research (VITO), dove vengono fabbricati elettrodi della dimensione di un metro quadrato.
Quali sono i principali elettrocatalizzatori utilizzati per la riduzione dell'ossigeno?
In questa recensione, abbiamo combinato diverse conoscenze ed esperienze maturate negli ultimi 10-15 anni in relazione alla reazione di riduzione dell’ossigeno che si verifica su elettrocatalizzatori inorganici come elettrocatalizzatori a base di metalli di transizione a singolo atomo, nanoparticelle di platino supportate su carbonio, materiali carboniosi ad alta superficie. Inoltre, vengono esplorati elettrocatalizzatori biotici come enzimi e microbi. L'aggiunta di materia biologica aumenta il livello di complessità di un sistema già complesso. Abbiamo descritto ciascuna classe di elettrocatalizzatori abiotici e biotici evidenziando le limitazioni e identificando le fasi limitanti del processo. È interessante notare che ogni classe di elettrocatalizzatori ha una diversa limitazione relativa all'adsorbimento della molecola di ossigeno sul sito attivo, alla riduzione dell'intermedio o al rilascio del prodotto finale. È importante sottolineare che la disponibilità di ossigeno in forma gassosa piuttosto che in forma disciolta è fondamentale affinché la reazione sia efficiente. Va sottolineato che le dimensioni di questi elettrocatalizzatori spaziano notevolmente da angstrom (nel caso di singolo atomo) fino a micrometri (nel caso di microbi).
Quale elettrocatalizzatore è il più performante in elettrolita a pH neutro?
Nonostante tutti questi elettrocatalizzatori abbiano i loro vantaggi e svantaggi, creare una classifica ben definita ed equa su questi materiali è piuttosto complesso. Gli elettrocatalizzatori enzimatici hanno sovrapotenziali inferiori rispetto agli altri materiali ma non possono produrre correnti elevate. Inoltre, non sono durevoli e piuttosto costosi. Tra gli elettrocatalizzatori inorganici, il miglior compromesso tra costo, prestazioni e durata è dato dagli elettrocatalizzatori basati su metalli di transizione a singolo atomo che sembrano resilienti per essere avvelenati dagli anioni. Gli elettrocatalizzatori batterici sono l'elettrocatalizzatore più complesso e probabilmente il meno studiato e compreso. Tuttavia, anche questi elettrocatalizzatori sembrano promettenti per operazioni a lungo termine in quanto sono resilienti. Solo la comprensione delle limitazioni legate a queste classi di elettrocatalizzatori durante il funzionamento può guidare la selezione dei materiali per un'applicazione specifica.