Nano

Feb 01, 2024

15 dicembre 2022

di Particuologia

Il prezioso metallo platino è un catalizzatore chiave per le reazioni chimiche alla base della prossima generazione di celle a combustibile a idrogeno più compatte e ad alte prestazioni. Ma il costo elevato del platino impedisce un’adozione diffusa di questa tecnologia.

I ricercatori, tuttavia, hanno ideato una lega su scala nanometrica di platino e cobalto da utilizzare come catalizzatore, riducendo drasticamente la quantità di platino necessaria per ottenere le stesse prestazioni, o addirittura migliori.

Una descrizione di questo nuovo elettrocatalizzatore al platino-cobalto e della tecnica utilizzata per produrlo è stata pubblicata sulla rivista Particuology il 15 dicembre.

Le celle a combustibile a idrogeno saranno necessarie nella transizione pulita per quei settori dell’economia, in particolare i trasporti pesanti, che sono difficili da elettrificare utilizzando la tecnologia delle batterie. Sfortunatamente, la cella a combustibile più comunemente utilizzata, la cella a combustibile alcalina, rimane piuttosto ingombrante, limitando la sua applicazione in settori come quello marittimo e aereo dove lo spazio è limitato.

La prossima generazione di celle a combustibile, le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC, a volte chiamate celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica), è molto più compatta.

Purtroppo, il principale catalizzatore (sostanze che aiutano ad accelerare le reazioni chimiche) utilizzato in una reazione chiave coinvolta nel PEMFCS (la reazione di riduzione dell’ossigeno, o ORR) è il raro e quindi costoso platino metallico. L’alto costo del platino è già uno dei maggiori ostacoli a una più ampia adozione del PEMFC. Secondo i dati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i catalizzatori metallici del gruppo del platino nelle celle a combustibile rappresentano attualmente oltre il 40% del loro costo. Infatti, la metà della produzione mondiale di platino viene utilizzata dall’industria automobilistica.

"Ciò significa che, anche se l'alto costo del platino sta limitando l'adozione delle celle a combustibile nei veicoli, se dovesse verificarsi un'adozione più ampia, ciò non farebbe altro che esacerbare il problema poiché ci sarebbe una domanda ancora maggiore, e quindi prezzi più alti, per questo metallo raro, ", ha affermato Zhonghua Xiang, autore dell'articolo ed elettrochimico presso l'Università di tecnologia chimica di Pechino.

Pertanto, qualsiasi percorso verso una più ampia adozione della tecnologia delle celle a combustibile implica necessariamente una certa riduzione della quantità di platino richiesta, sostituendolo con qualche altro materiale catalizzatore o riducendo la quantità di platino necessaria senza compromettere le prestazioni.

Gran parte della ricerca si è concentrata su quest’ultimo approccio. I ricercatori si sono concentrati in particolare sulla lega del platino con il cobalto, diluendo di fatto la quantità di platino necessaria per ottenere lo stesso risultato. La ragione di ciò è che diverse leghe di platino-cobalto hanno una "superficie attiva" più elevata, ovvero gli spazi sulle molecole del catalizzatore dove possono aver luogo le relative reazioni chimiche.

Tuttavia, la messa a punto del grado di lega per ottenere prestazioni ORR ottimali è rimasta una grande sfida.

Così il professor Xiang ha sintetizzato un precursore platino-cobalto-carbonio (il composto che lavora per produrre un secondo composto, in questo caso la lega platino-cobalto) utilizzando il dimetilammina borano (DMAB) come agente riducente (una sostanza che dona elettroni a un altro uno in una reazione chimica). Questo precursore è stato riscaldato ad alta temperatura in un ambiente di idrogeno e gas argon per produrre una lega di platino-cobalto composta da tre atomi di platino per ogni cobalto sotto forma di particelle su scala nanometrica.

La struttura degli elettroni in questa particolare lega di platino-cobalto consente un'elevata attività sulla superficie della membrana degli elettrodi nella cella a combustibile. Di conseguenza, le prestazioni della cella a combustibile vengono migliorate e si ottiene una grande stabilità per la cella a combustibile. Quest'ultimo vantaggio è stato dimostrato solo da un lieve deterioramento delle prestazioni dopo 10.000 cicli della cella a combustibile. Ulteriori test condotti su singole celle a combustibile hanno dimostrato che il loro approccio superava notevolmente i requisiti degli standard del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.