Alcuni ricercatori sostenuti dall’UE impegnati nello studio della struttura molecolare delle interfacce solido-liquido hanno scoperto la presenza di una capacità di stoccaggio dell’energia inaspettatamente elevata nel punto in cui la materia incontra le superfici metalliche.
Il doppio strato elettrico, ossia la struttura che compare sulla superficie di un oggetto quando quest’ultimo è esposto a un fluido, svolge un ruolo determinante nei processi elettrochimici interfacciali, quali l’elettrocatalisi, lo stoccaggio dell’energia e la corrosione. Per comprendere e controllare questi processi, gli scienziati devono conoscere meglio la struttura molecolare delle interfacce solido-liquido.
Prefiggendosi di approdare a una migliore comprensione delle interfacce solido-liquido a livello molecolare, i ricercatori sostenuti in parte dai progetti HMST-PC, AMPERE e MITICAT, finanziati dall’UE, hanno analizzato le interfacce tra nanoparticelle di platino e oro-acqua avvalendosi dell’elettrochimica a nanoimpatto. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista «Angewandte Chemie International Edition».L’elettrochimica a nanoimpatto consiste in un nuovo strumento potente che permette agli scienziati di ottenere informazioni fisico-chimiche relative agli effetti strutturali sulla capacità del doppio strato elettrico dei nanomateriali, senza artefatti derivanti dalla porosità della pellicola o da additivi. La capacità del doppio strato elettrico si manifesta quando un elettrodo e una soluzione liquida entrano in contatto, provocando la formazione di due strati di cariche elettriche con polarità opposte e consentendo lo stoccaggio dell’elettricità in quel punto. Questo nuovo strumento ha aperto la strada a nuove possibilità per quanto riguarda la caratterizzazione delle nanoparticelle colloidali.
Grazie al loro elevato rapporto superficie-volume, le nanoparticelle si dimostrano utili per numerose applicazioni. Tuttavia, la caratterizzazione esplicita della capacità del doppio strato elettrico risulta complicata nel caso delle nanoparticelle. Come riferito nello studio, le nanoparticelle «devono essere trasformate in elettrodi a tutti gli effetti per l’esecuzione di misurazioni elettrochimiche tradizionali, il che spesso prevede l’uso di additivi comportando effetti combinati e incertezze in merito alla superficie elettrochimica attiva.» L’elettrochimica a nanoimpatto risolve questo problema.
«Per monitorare la capacità e i processi di riarrangiamento nel doppio strato elettrochimico sulle nanoparticelle in platino e oro, si è rivelato fondamentale elaborare un metodo in grado di misurare le esatte correnti di scarica sulle singole nanoparticelle nella soluzione», riferisce l’autrice senior dello studio, la prof.ssa Kristina Tschulik dell’Università della Ruhr di Bochum, in Germania, istituto che ha ospitato il progetto MITICAT, in un articolo pubblicato sul sito web «EurekAlert!». Per il loro studio, il gruppo di ricerca ha impiegato dispersioni di nanoparticelle colloidali, in cui le singole particelle finemente disperse nella soluzione acquosa collidevano in modo casuale con un ultramicroelettrodo. Mediante alcune simulazioni della dinamica molecolare assistite dal computer, il gruppo è riuscito a scorgere somiglianze e differenze nelle correnti capacitive misurate dipendenti dalla tensione dei diversi tipi di dispersione di nanoparticelle.
I calcoli hanno indicato che la forte interazione del metallo con le molecole di acqua comporta il chemiadsorbimento dell’acqua nonché un accumulo sorprendentemente alto di ioni, favorendo una maggiore capacità di immagazzinamento della carica dell’interfaccia. «La capacità di immagazzinamento della carica del doppio strato risulta aumentare di circa un ordine grandezza rispetto alle previsioni basate su modelli di campo medio tradizionali», scrivono gli autori nello studio. «Si presume che la grande capacità misurata per le superfici di platino e oro derivi da forti interazioni tra la superficie metallica e lo strato adsorbito di acqua. Queste promuovono il chemiadsorbimento dell’acqua e l’accumulo di ioni in prossimità dell’interfaccia. Il valore di capacità inferiore misurato per l’oro è attribuibile a un legame più debole dello strato adsorbito di acqua con l’oro rispetto a quello con le superfici in platino.»
I dettagli acquisiti con il sostegno dei progetti HMST-PC (Synthesis of Hybrid Metal-Semiconductor Tetrapod Photocatalysts for Improved Water Splitting), AMPERE (Accounting for Metallicity, Polarization of the Electrolyte, and Redox reactions in computational Electrochemistry) e MITICAT (Microfluidic Tuning of Individual Nanoparticles to Understand and Improve Electrocatalysis) potrebbero dare il via alla regolazione attiva di interazioni solido-solvente e solvente-solvente formate dallo strato adsorbito di acqua. Ciò potrebbe contribuire a tecnologie di conversione e stoccaggio dell’energia caratterizzate da migliori prestazioni e una maggiore sostenibilità.
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