L’esaurimento dei combustibili fossili e le sfide ecologiche in corso sottolineano la pressante necessità di soluzioni energetiche sostenibili e rispettose dell’ambiente. In questo ambito, le celle a combustibile sono diventate un punto focale nella ricerca attuale, principalmente per i loro eccezionali vantaggi, tra cui l’aspetto degno di nota è il riconoscimento dell’idrogeno come vettore energetico verde. Tuttavia, il più grande ostacolo alla commercializzazione su larga scala delle celle a combustibile è l’utilizzo di elettrocatalizzatori sul lato catodico a base di platino (PGM), scarsi e troppo costosi, per eseguire reazioni lente e complesse di riduzione dell’ossigeno (ORR). Negli ultimi decenni sono stati sviluppati metalli di transizione-azoto-carboni (TM-Nx-C) che hanno dimostrato un notevole potenziale nel sostituire i PGM per applicazioni elettrocatalitiche avanzate. Tra i metalli di transizione di prima fila, il ferro è considerato il metallo d'elezione per fabbricare elettrocatalizzatori Fe-Nx-C per ORR con cinetica apprezzabile grazie alla sua adeguata interazione termodinamica con l'ossigeno e alla capacità di avviare la riduzione tetraelettronica dell'ossigeno, in particolare quando il il ferro è presente in stretto coordinamento con l'azoto (Fe-Nx). Per evolvere e progettare una robusta struttura del sito attivo di Fe-Nx-C con una moltitudine di porzioni funzionali, la pirolisi viene utilizzata come metodologia di fabbricazione chiave. Nonostante sia la metodologia di fabbricazione più utilizzata, la pirolisi stessa rimane il fenomeno meno compreso e quindi può essere considerata una “scatola nera”.
Dalla conoscenza fondamentale della scienza dei materiali, è la tecnica di lavorazione che determina l'evoluzione della struttura e quindi, in ultima analisi, decide le prestazioni durante l'applicazione. Pertanto, la comprensione dell'evoluzione e della trasformazione dei siti attivi nel corso della pirolisi è un'indagine cruciale.
Un team di ricercatori dell’Università degli studi di Milano-Bicocca (Mr. Mohsin Muhyuddin, Mr. Seyed Ariana Mirshokraee, Dr. Jacopo Orsilli, Prof. Roberto Lorenzi) guidata dal Dott. Carlo Santoro del Dipartimento di Scienza dei Materiali, in collaborazione con il Prof. Plamen Atanassov, Dr. Eamonn Murphy e Dr. Shengyuan Guo della University of California, Irvine, USA, Dr. Enrico Berretti, Dr. Laura Capozzoli e Dr. Alessandro Lavacchi del CNR-ICCOM, Firenze, Italy e il Dr. Francesco D’Acapito del CNR-IOM (beamline BM08 ESRF) Grenoble, Francia, hanno avviato uno studio completo per esaminare l'evoluzione strutturale dei siti attivi in Fe-Nx-C durante la pirolisi. Per affrontare le incertezze nella fabbricazione degli elettrocatalizzatori durante la pirolisi, questa indagine ha utilizzato una combinazione di strumenti avanzati di caratterizzazione in situ ed ex situ. L'analisi si è concentrata sull'esame dell'impatto delle condizioni di pirolisi sull'evoluzione strutturale degli elettrocatalizzatori Fe-Nx-C e sulla creazione di una relazione tra parametri di pirolisi, struttura e prestazioni elettrochimiche. In poche parole, il nero di carbonio ad elevata area superficiale è stato funzionalizzato con ftalocianina di ferro e pirolizzato da 25 ºC a 1000 ºC in due atmosfere diverse, ovvero Ar puro e Ar/H2 leggermente riducente. La fabbricazione del campione a ciascuna temperatura e in entrambe le atmosfere è stata completamente chiarita nella spettroscopia di assorbimento dei raggi X di sincrotrone in situ ed ex situ (XAS) presso ESRF Grenoble, Francia. Per definire le tendenze nella chimica delle superfici, è stata condotta un'analisi spettroscopica fotoelettronica a raggi X (XPS) approfondita. È stata eseguita una microscopia elettronica a trasmissione dettagliata ad alta risoluzione (HR-TEM) dei campioni. L'elettrocatalisi ORR è stata eseguita sia in mezzi acidi che alcalini per specificare il ruolo della struttura del sito attivo evoluta in diverse condizioni di pirolisi. I risultati di questo studio sono stati documentati nel manoscritto. Senza dubbio, le caratterizzazioni in-situ, abbinate all’analisi superficiale, microscopica e spettroscopica ex-situ, insieme alle misurazioni elettrocatalitiche, sono cruciali per far avanzare gli elettrocatalizzatori ORR di prossima generazione per la produzione di energia sostenibile tramite celle a combustibile. Gli autori sono fiduciosi che questo approccio possa essere facilmente applicato ad altre reazioni elettrochimiche e a vari tipi di elettrocatalizzatori derivati da singoli atomi o nanoparticelle.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati nell’articolo intitolato “Formation of the active site structures during pyrolysis transformation of Fe-phthalocyanine into Fe-Nx-C electrocatalysts for the oxygen reduction reaction” (DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123515) pubblicato su Applied Catalysis B: Environmental<(Impact Factor 22.1, Journal Citation Report (Clarivate Analytics, 2022)).