Al fine di ridurre il costo delle celle a combustibile a elettrolita polimerico di nuova generazione per veicoli, i ricercatori hanno sviluppato alternative ai costosi catalizzatori al platino e al metallo del gruppo del platino (PGM) attualmente utilizzati negli elettrodi delle celle a combustibile. Il nuovo lavoro nei laboratori nazionali di Los Alamos e Oak Ridge sta risolvendo difficili questioni sulle prestazioni delle celle a combustibile, sia nel determinare nuovi materiali efficienti sia nel capire come funzionano a livello atomico. La ricerca è descritta questa settimana sulla rivista Scienza .

"Ciò che rende questa esplorazione particolarmente importante è che migliora la nostra comprensione del motivo esatto per cui questi catalizzatori alternativi sono attivi, " ha detto Piotr Zelenay, leader del progetto al Los Alamos National Laboratory. "Stiamo avanzando sul campo, ma senza comprendere le fonti di attività; senza le intuizioni strutturali e funzionali, ulteriori progressi sarebbero stati molto difficili."

Basandosi su studi precedenti, il team guidato da Los Alamos ha sintetizzato catalizzatori che comprendono alternative al platino a basso costo che forniscono prestazioni paragonabili al catalizzatore standard per celle a combustibile PGM utilizzato nelle applicazioni per veicoli. Utilizzando una sofisticata microscopia presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), i ricercatori sono stati in grado di osservare direttamente i siti attivi del singolo atomo nel nuovo materiale in cui avviene la catalisi, che ha fornito informazioni uniche sul potenziale di efficienza del materiale privo di PGM.

Il platino aiuta sia l'ossidazione elettrocatalitica dell'idrogeno all'anodo che la riduzione elettrocatalitica dell'ossigeno dall'aria al catodo, produzione di energia elettrica utilizzabile. Trovare un valido, un'alternativa al catalizzatore senza PGM a basso costo sta diventando sempre più possibile, ma capire esattamente dove e come avviene la catalisi in questi nuovi materiali è stata una sfida di vecchia data. Questo è vero, Zelenay ha notato, soprattutto nel catodo delle celle a combustibile, dove una reazione di riduzione dell'ossigeno relativamente lenta, o ORR, avviene che richiede un significativo 'caricamento' di platino.

Il nuovo materiale esaminato in questo studio è un elettrocatalizzatore ferro-azoto-carbonio (Fe-N-C), sintetizzato con due precursori dell'azoto che hanno sviluppato una struttura gerarchica dei pori per esporre una grande frazione delle superfici di carbonio all'ossigeno. Le sue prestazioni delle celle a combustibile si avvicinano a quelle dei catalizzatori al platino, un progresso significativo, come documentato nelle prestazioni del banco di prova delle celle a combustibile.

Attraverso l'uso del microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione dell'ORNL e della spettroscopia a perdita di energia degli elettroni, I ricercatori dell'ORNL sono stati in grado di fornire la prima osservazione diretta del sito attivo ORR spesso proposto, FeN4, a livello atomico.

"Con entrambe queste prestazioni e la visualizzazione atomica dei siti di reazione, stiamo colmando il divario per sostituire il platino con un catalizzatore ad alte prestazioni pronto per essere ampliato per una potenziale applicazione nelle celle a combustibile per applicazioni automobilistiche, " ha detto Karren More, Responsabile del team di microscopia ORNL.

Inoltre, l'elevata attività dei catalizzatori Fe-N-C e la struttura del sito attivo FeN4 è stata prevista dalla modellazione al computer condotta a Los Alamos, così come la possibile via di reazione.

"In questo articolo colleghiamo i risultati della modellazione e della microscopia con l'elevata attività determinata elettrochimicamente di un catalizzatore di reazione di riduzione dell'ossigeno privo di PGM, " ha detto Zelenay.

La ricerca di Los Alamos sulle celle a combustibile amplia le opzioni per la produzione di energia a sostegno della missione del Laboratorio di rafforzare la sicurezza energetica della nazione.