L’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) juga un paper central en el projecte PeCATHS, liderant el Work Package 4 (WP4), dedicat a la caracterització avançada de materials, catalitzadors, elèctrodes i dispositius desenvolupats en els WP1 i WP2.

Aquest paquet de treball transversal té com a objectiu descobrir els mecanismes que governen el rendiment dels materials i elèctrodes catalítics, amb un enfocament particular en com la seva estructura, composició química i morfologia tridimensional a escala nanomètrica influeixen en l’activitat electrocatalítica. L’equip de l’ICN2, liderat pel professor Jordi Arbiol i recolzat per la Dra. Alba Garzón-Manjón, juntament amb els investigadors de doctorat David Llorens i Eduardo Domínguez, aporta a aquest esforç experiència de primer nivell en anàlisi a escala atòmica i microscòpia millorada per IA.

L’ICN2 duu a terme una caracterització estructural, química i morfològica exhaustiva de materials de (foto)elèctrodes frescos i usats. Això inclou l’ús de microscòpia electrònica de rastreig i transmissió ((S)TEM), microscòpia electrònica de rastreig (SEM), SEM de feix d’ions enfocat (FIB-SEM), espectroscòpia de raigs X per dispersió d’energia (EDS) i espectroscòpia de pèrdua d’energia d’electrons (EELS). A més, l’espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) i l’EELS amb pèrdua de nucli s’utilitzen per mesurar la composició, els estats d’oxidació, les energies a nivell de nucli, els intervals de banda i les posicions de la banda de valència abans i després de l’operació. Les metodologies avançades de l’ICN2, incloent-hi l’EELS monocromat i el 4D-STEM, permeten una anàlisi en profunditat de la cristal·linitat, les interfícies, la disposició atòmica i les distribucions d’energia locals de plasmons i intervals de banda. L’STEM de contrast de fase diferencial (DPC STEM) s’utilitza per visualitzar les distribucions de camps electromagnètics i explorar les posicions i distorsions relatives dels àtoms dins de nanoestructures catalítiques. Per garantir un alt rendiment estadístic, l’ICN2 aplica les seves eines patentades millorades amb IA per identificar automàticament les fases i orientacions cristal·lines a partir d’imatges STEM de resolució atòmica.

Més enllà de l’anàlisi ex situ, l’ICN2 integra el seu treball de caracterització amb experiments electroquímics operando, permetent una comprensió holística dels mecanismes energètics. Aquest enfocament facilita la correlació entre l’estructura superficial i el comportament de transferència de càrrega amb el rendiment electrocatalític. L’equip investiga com les característiques subtils a nivell atòmic, com ara dopants, vacants, defectes i canvis en els estats de coordinació o oxidació, poden influir en el comportament dels materials nanoestructurats, incloent-hi nanopartícules, catalitzadors d’un sol àtom i materials 2D. Aquests coneixements són crítics per optimitzar els processos fotoelectroquímics que són al cor dels PeCATHS, que impliquen la transformació de derivats de la biomassa i la hidrogenació de portadors d’hidrogen orgànics líquids (LOHC).

L’ICN2 col·labora estretament amb els socis del projecte UJI i UZH, que són responsables de preparar i avaluar els (foto)elèctrodes. Mentre que la UJI i l’UZH se centren en la fabricació d’elèctrodes i la caracterització electroquímica, l’ICN2 proporciona informació a escala atòmica sobre les interaccions substrat-elèctrode i el comportament del material. La modelització teòrica duta a terme per TCD complementa les dades experimentals de l’ICN2, creant un marc robust per comprendre i millorar els sistemes de conversió d’energia. Tots els socis aporten la seva experiència en un esforç totalment integrat, amb la transferència de coneixement coordinada a través de COMET i EIM, i amb el suport d’estratègies dedicades de comunicació, difusió i explotació.

L’impacte de l’ICN2 s’estén molt més enllà de l’abast del PeCATHS. El principal investigador principal de l’ICN2 coordina els projectes d’infraestructura de ciència de materials In-CAEM i METCAM al Centre Conjunt de Microscòpia Electrònica del Sincrotró ALBA (JEMCA) i és membre fundador d’e-DREAM, la Infraestructura Europea de Recerca Distribuïda per a la Microscòpia Electrònica Avançada. L’ICN2 continua ampliant la seva cartera de serveis analítics i de consultoria per a la indústria, reforçant el seu lideratge en la caracterització de catalitzadors basada en STEM i la microscòpia impulsada per la IA. A través de les seves contribucions al PeCATHS, l’ICN2 no només està fent avançar les tecnologies energètiques sostenibles, sinó que també està donant forma al futur de la ciència de materials a tot Europa.