Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction

L'atmosfera è carica di anidride carbonica, un gas che intrappola il calore e guida il cambiamento climatico. Mentre la natura si è a lungo affidata alle piante per estrarre questo gas dall'aria, gli scienziati stanno esplorando un modo per farlo utilizzando l'elettricità. Questo processo, noto come riduzione elettrochimica, utilizza l'energia rinnovabile per forzare l'anidride carbonica a reagire con l'acqua, trasformando un prodotto di scarto in combustibili o prodotti chimici utili. La sfida risiede nella chimica: l'anidride carbonica è una molecola molto stabile che resiste al cambiamento e, quando i ricercatori cercano di scomporla, spesso produce una miscela disordinata di diverse sostanze o crea semplicemente gas idrogeno invece del combustibile desiderato. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno bisogno di materiali speciali chiamati catalizzatori che possano guidare la reazione per produrre esattamente ciò che desiderano, come il monossido di carbonio, un ingrediente chiave per la produzione di combustibili sintetici, senza sprecare energia in reazioni secondarie indesiderate.

In uno studio recente, i ricercatori del Consiglio Nazionale della Ricerca in Italia e dell'Università degli Studi di Milano-Bicocca hanno affrontato questo problema progettando un nuovo tipo di catalizzatore utilizzando due metalli comuni: argento e rame. Volevano vedere se potevano combinare questi metalli in uno strato sottile per ottenere il meglio di entrambi i mondi. L'argento è noto per essere bravo a produrre monossido di carbonio, mentre il rame è famoso per la sua capacità di legare gli atomi di carbonio, sebbene spesso produca troppi prodotti diversi contemporaneamente. Il team ha utilizzato una tecnica chiamata deposizione fisica da vapore, che consiste essenzialmente nel nebulizzare atomi metallici su una superficie in un vuoto, per rivestire un tessuto di carbonio con questi metalli. Controllando attentamente quanto metallo veniva nebulizzato e con quale velocità, hanno creato una serie di film sottili con diversi rapporti di argento rispetto al rame. Il loro obiettivo era trovare il perfetto equilibrio in cui il materiale fosse altamente selettivo, producendo principalmente monossido di carbonio mantenendo al minimo la produzione di gas idrogeno.

I ricercatori hanno iniziato testando come la quantità di metallo depositato influenzasse la forma e le prestazioni del catalizzatore. Hanno nebulizzato i metalli sul tessuto di carbonio per un tempo fisso, ma hanno variato la corrente elettrica utilizzata per guidare il processo. Hanno scoperto che l'uso di una corrente più bassa creava particelle metalliche più piccole e disperse, mentre una corrente più alta portava a grumi più grandi che coprivano una parte maggiore della superficie. Sorprendentemente, i campioni con il carico di metallo più pesante non erano i migliori. Al contrario, i catalizzatori con una quantità moderata di metallo, depositati a una corrente inferiore, offrivano un migliore equilibrio. Questi campioni avevano abbastanza superficie affinché la reazione avvenisse, ma evitavano l'affollamento che sembrava bloccare i siti attivi necessari per la trasformazione chimica. Ciò suggeriva che aggiungere semplicemente più metallo non fosse la soluzione; la disposizione e l'accessibilità degli atomi metallici erano molto più importanti.

Successivamente, il team si è concentrato sul rapporto tra argento e rame, testando miscele in cui l'argento costituiva il 75, il 50 o il 25 per cento del contenuto metallico. Hanno scoperto che la composizione del film aveva un impatto diretto su ciò che il catalizzatore produceva. I campioni ricchi di rame tendevano a generare più gas idrogeno, una reazione concorrente che spreca energia. Al contrario, i campioni con più argento erano molto più efficaci nel dirigere la reazione verso il monossido di carbonio. Il catalizzatore di maggior successo è stato un film contenente il 75 per cento di argento e il 25 per cento di rame. Questa specifica miscela ha raggiunto un'efficienza di conversione del 47 per cento per il monossido di carbonio, il che significa che quasi la metà della corrente elettrica immessa nel sistema è stata utilizzata per produrre il gas desiderato. Questa prestazione era paragonabile a quella di un catalizzatore fatto di argento puro, dimostrando che il sistema bimetallico poteva eguagliare l'efficienza del metallo puro pur offrendo una piattaforma modulabile per l'ottimizzazione.

Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato potenti microscopi e strumenti a raggi X per osservare da vicino i catalizzatori. Hanno confermato che gli atomi di argento e rame erano distribuiti uniformemente sul tessuto di carbonio, formando uno strato uniforme piuttosto che isole separate di metallo. Hanno anche osservato che gli atomi metallici formavano un tipo specifico di struttura a lega, in cui i due metalli erano mescolati a livello atomico. Per testare la stabilità di questa struttura, hanno eseguito un esperimento separato riscaldando un campione; hanno scoperto che la lega si scomponeva in argento puro e rame puro, e le prestazioni diminuivano significativamente. Ciò ha confermato che lo stato misto dei metalli era essenziale affinché il catalizzatore funzionasse bene, poiché le fasi separate erano meno attive. Lo studio ha anche controllato la presenza di altri possibili prodotti, come acidi liquidi o alcoli, ma ha trovato solo tracce, indicando che la reazione era molto focalizzata sulla produzione di monossido di carbonio e idrogeno.

Il lavoro dimostra che è possibile creare catalizzatori altamente efficaci regolando attentamente la composizione e il metodo di applicazione. I ricercatori hanno mostrato che l'uso della deposizione fisica da vapore consente un controllo preciso sul carico metallico e sul rapporto tra gli elementi, portando a materiali che sono sia efficienti che economici. Sebbene i risultati attuali siano promettenti, gli autori osservano che c'è ancora spazio per il miglioramento. Fattori come la pressione del gas anidride carbonica e la configurazione specifica della cella di reazione potrebbero ulteriormente potenziare le prestazioni. Per ora, lo studio fornisce una via chiara da seguire, provando che una miscela semplice e controllata di argento e rame può servire come una robusta piattaforma per convertire l'anidride carbonica in un prezioso mattone chimico.