Celle a combustibile più durevoli con il nucleo a strati

Un fattore che impedisce l'adozione delle celle a combustibile a idrogeno in auto, camion e altri veicoli è il costo dei catalizzatori in platino, gli elementi cioè che fanno funzionare le celle.

Al momento un approccio che viene praticato per impiegare meno platino (metallo molto costoso) è quello di combinare tale prezioso materiale con altri metalli più economici, purtroppo i catalizzatori in lega così ottenuti tendono a degradare rapidamente durante il funzionamento delle celle a combustibile.

Il nuovo catalizzatore, realizzato con una lega fatta di platino e nanoparticelle di cobalto è riuscito a superare anche gli obiettivi per l'anno 2020 fissati dal dipartimento di energia degli Stati Uniti (DOE, Department of Energy) per quanto riguarda sia la reattività sia la durata. Lo studio condotto dai ricercatori della Brown University è stato pubblicato recentemente sulla rivista Joule.

Immagine - Il nuovo catalizzatore sviluppato dal team di ricercatori della Brown University combina un guscio esterno di atomi di platino (sfere grigie nella rappresentazione grafica sulla destra) con strati ordinati di platino e atomi di cobalto (sfere blu) nel suo nucleo.

Gli strati ordinati contribuiscono a tenere serrato il guscio e nello stesso momento proteggono il cobalto, ciò rende il catalizzatore più reattivo e durevole. Credits: Dom Lab/Brown.

La durata dei catalizzatori in lega di platino è uno dei grossi limiti allo sviluppo delle celle a combustibile

«La durata dei catalizzatori in lega è uno dei grossi limiti nel campo delle celle a combustibile» dice Junrui li, chimico presso la Brown University e autore dello studio. «È stato dimostrato che almeno inizialmente le leghe metalliche funzionano meglio del platino puro, purtroppo però le cose all'interno di una cella a combustibile vanno diversamente: la parte metallica non preziosa del catalizzatore viene ossidata assottigliandosi molto rapidamente fino a scomparire».

Una struttura a strati

Per affrontare il problema dell'ossidazione della parte metallica del catalizzatore Li e i suoi colleghi hanno sviluppato una lega con una struttura specializzata utilizzando delle nanoparticelle. Il nucleo del catalizzatore è composto da strati alternati di atomi di platino e atomi di cobalto mentre il guscio esterno è composto da platino puro.

La struttura a strati del nucleo rappresenta la chiave della reattività e della durevolezza del catalizzatore, scrive Shouheng Sun, prof. di chimica presso la Brown University e autore senior dello studio.

«La disposizione a strati degli atomi nel nucleo aiuta a tenere serrato il reticolo di platino che si trova nel guscio esterno« scrive Sun. «Questa caratteristica aumenta la reattività del platino e allo stesso tempo protegge gli atomi di cobalto dalla corrosione durante le reazioni chimiche. Ecco perché queste nanoparticelle funzionano molto meglio delle particelle in lega che hanno una disposizione casuale degli atomi di metallo».

Per quanto riguarda gli esperimenti condotti in laboratorio i ricercatori hanno testato la capacità del catalizzatore di eseguire la reazione di ossido-riduzione, tale reazione è fondamentale per le prestazioni delle celle a combustibile e per la loro durata nel tempo.

Su un lato della cella a combustibile è presente una membrana a scambio protonico (PEM, Proton Exchange Membrane) dove gli elettroni che vengono ceduti dal combustibile idrogeno (in realtà gli elettroni vengono ceduti dagli atomi di idrogeno e non dal combustibile) creano una corrente elettrica che aziona un motore elettrico. Dall'altro lato della cella a combustibile gli atomi di ossigeno ricevono gli elettroni che sono stati ceduti dal combustibile idrogeno e chiudono il circuito. Tutto ciò avviene attraverso la reazione di ossido-riduzione.

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Aspettative superate (non solo in laboratorio)

Gli esperimenti iniziali indicano che il nuovo catalizzatore in lega ha funzionato bene in laboratorio superando le prestazioni di un catalizzatore tradizionale in lega di platino. Il nuovo catalizzatore ha mantenuto la sua attività superando 30.000 cicli di tensione, mentre le prestazioni del catalizzatore tradizionale sono degradate in modo significativo.

Nonostante i test di laboratorio siano importanti per valutare le proprietà di un catalizzatore, i ricercatori affermano che non necessariamente i test di laboratorio sono in grado di mostrare l'effettivo comportamento di un catalizzatore in una cella a combustibile reale.

L'ambiente delle celle a combustibile è molto più caldo e differisce anche per il livello di acidità rispetto agli ambienti di test che si trovano in laboratorio, tali fattori possono accelerare la degradazione del catalizzatore.

Per scoprire quanto bene il catalizzatore reggerà in una cella a combustibile reale i ricercatori hanno inviato il catalizzatore al Los Alamos National Lab per eseguire un test in una cella a combustibile reale.

Il test ha dimostrato che il catalizzatore ha superato gli obiettivi fissati dal DOE sia per l'attività iniziale sia per la durata a lungo termine. Il DOE ha spronato i ricercatori per fare in mmodo che venisse sviluppato un catalizzatore con un'attività iniziale di 0,44 A per milligrammo di platino entro il 2020 e un'attività di almeno 0,26 A per milligrammo dopo 30.000 cicli di tensione (equivalente circa a cinque anni di utilizzo in un veicolo a celle a combustibile).

Il test del nuovo catalizzatore ha dimostrato di possedere un'attività iniziale di 0,56 A per milligrammo di platino e un'attività di 0,45 A dopo 30.000 cicli di tensione.

«Anche dopo 30.000 cicli il nostro catalizzatore ha superato gli obiettivi del DOE per quanto riguarda l'attività iniziale», scrive Sun. «Questo tipo di prestazioni in un ambiente reale di una cella a combustibile è davvero promettente».

I ricercatori hanno fatto domanda per ottenere un brevetto provvisorio sul catalizzatore in lega e sperano di continuare a svilupparlo e perfezionarlo.

Il lavoro di ricerca è stato sostenuto dall'ufficio del DOE per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili e l'ufficio delle tecnologie delle celle a combustibile americano.

Lo studio "Hard-Magnet L10-CoPt Nanoparticles Advance Fuel Cell Catalysis" è stato pubblicato sulla rivista Joule.