Elettrocatalisi e curve a vulcano

Molte reazioni elettrochimiche utilissime — produrre idrogeno, far funzionare una cella a combustibile — sono in teoria possibili ma in pratica lentissime, a meno di spingerle con un forte spreco di energia. La differenza fra una reazione che striscia e una che corre la fa l’elettrocatalisi: la scienza dei materiali che accelerano le reazioni agli elettrodi.

Vediamo perché un buon catalizzatore è quello che lega l’intermedio “né troppo né troppo poco” e come questo principio si riassume nella celebre curva a vulcano.

Reazioni lente da accelerare

Una reazione all’elettrodo può essere favorita dal punto di vista energetico eppure procedere lentissima, perché passa attraverso intermedi che si formano con difficoltà. Per farla andare a velocità utile bisognerebbe applicare una forte sovratensione, cioè spingere con molta più energia del minimo necessario: uno spreco. L’elettrocatalisi riduce questo spreco offrendo alla reazione una superficie su cui gli intermedi si formano più facilmente.

Il segreto è l’adsorbimento

Molte reazioni elettrocatalitiche passano per uno stadio in cui un intermedio si attacca alla superficie del catalizzatore prima di trasformarsi. La forza di questo legame è decisiva. Se la superficie lega l’intermedio troppo debolmente, l’intermedio quasi non si forma e la reazione non parte. Se lo lega troppo fortemente, l’intermedio resta incollato e non si libera per completare la reazione, bloccando la superficie. Serve una via di mezzo.

legame troppo debole → non adsorbe   |   troppo forte → non rilascia

Il principio di Sabatier e la curva a vulcano

L’idea che il legame migliore sia intermedio è nota come principio di Sabatier. Se si mette su un grafico l’attività dei vari catalizzatori in funzione di quanto fortemente legano l’intermedio, si ottiene una caratteristica curva a forma di montagna: l’attività cresce, raggiunge un massimo in corrispondenza del legame “giusto”, poi cala di nuovo. Questa curva a vulcano è uno strumento centrale per cercare e progettare nuovi catalizzatori.

I catalizzatori reali

In cima al vulcano, per molte reazioni importanti, si trovano i metalli preziosi come il platino, che catalizzano benissimo la produzione e il consumo di idrogeno. Il problema è che sono rari e costosi, e questo frena la diffusione delle celle a combustibile e degli elettrolizzatori. Gran parte della ricerca cerca quindi catalizzatori altrettanto efficaci ma fatti di elementi abbondanti ed economici, regolandone la struttura per avvicinarli alla cima del vulcano.

Le reazioni chiave dell’energia

L’elettrocatalisi è al cuore delle tecnologie dell’energia pulita. La produzione di idrogeno per elettrolisi, il suo consumo nelle celle a combustibile, la riduzione dell’ossigeno che fa funzionare quelle celle, la trasformazione dell’anidride carbonica in combustibili: tutte queste reazioni hanno bisogno di buoni elettrocatalizzatori per essere efficienti. Migliorarli significa spendere meno energia per produrre idrogeno e ricavarne di più dalle celle a combustibile, ed è per questo che la ricerca di catalizzatori migliori e più economici è una delle aree più attive della chimica applicata, sospinta dalla transizione verso fonti rinnovabili.

Non solo il materiale: la superficie

Un aspetto cruciale dell’elettrocatalisi è che ciò che conta non è solo di quale elemento è fatto il catalizzatore, ma com’è fatta la sua superficie. Le reazioni avvengono sugli atomi esposti, e atomi disposti in modi diversi — su una faccia liscia del cristallo, su uno spigolo, su un difetto — legano gli intermedi con forze diverse e quindi catalizzano con efficacia diversa. Per questo lo stesso metallo può essere un buon o un cattivo catalizzatore a seconda di come è strutturato. Da qui nascono molte strategie pratiche: ridurre il catalizzatore a nanoparticelle, che offrono moltissima superficie esposta con poco materiale prezioso; creare leghe in cui un secondo metallo modifica la forza di legame degli atomi vicini avvicinandoli alla cima del vulcano; esporre apposta le facce cristalline più attive. Anche il supporto su cui si depositano le nanoparticelle conta, perché può influenzarne il comportamento e tenerle separate evitando che si aggreghino perdendo superficie. Progettare un buon elettrocatalizzatore è quindi un lavoro che combina la scelta degli elementi con il controllo fine della struttura su scala atomica, ed è proprio in questo controllo che si giocano i progressi più recenti.

Domande frequenti

Che cos’è l’elettrocatalisi?

È l’uso di materiali che accelerano le reazioni agli elettrodi facilitando la formazione degli intermedi sulla loro superficie. Un buon elettrocatalizzatore fa avvenire la reazione con una sovratensione minore, cioè sprecando meno energia per ottenere la stessa velocità: è la differenza fra un processo conveniente e uno troppo costoso per essere usato davvero.

Perché conta la forza con cui si lega l’intermedio?

Perché molte reazioni passano per un intermedio che si attacca alla superficie. Se il legame è troppo debole l’intermedio non si forma; se è troppo forte non si libera e blocca la superficie. L’attività massima si ha con un legame di forza intermedia.

Che cos’è la curva a vulcano?

È il grafico dell’attività dei catalizzatori in funzione di quanto legano l’intermedio: ha la forma di una montagna, con l’attività che sale fino a un massimo e poi scende. La cima corrisponde al legame ottimale ed è la guida per progettare catalizzatori migliori.

Che cos’è il principio di Sabatier?

È l’idea che il catalizzatore migliore sia quello che lega l’intermedio né troppo né troppo poco. Un legame intermedio permette all’intermedio di formarsi e poi di liberarsi facilmente. È il principio che spiega la forma a vulcano dell’attività catalitica.

Perché si cercano alternative al platino?

Perché il platino, pur ottimo per molte reazioni dell’idrogeno, è raro e costoso, e questo frena la diffusione di celle a combustibile ed elettrolizzatori. Si cercano catalizzatori altrettanto efficaci fatti di elementi abbondanti ed economici, vicini alla cima del vulcano. Trovarli renderebbe molto più conveniente produrre idrogeno pulito e far funzionare le celle a combustibile, ed è uno degli obiettivi più importanti della chimica dell’energia, perché il costo dei catalizzatori incide in modo pesante su queste tecnologie.