I ricercatori di Lehigh hanno collaborato con colleghi in Cina e presso tre laboratori nazionali negli Stati Uniti per sviluppare un catalizzatore a base d'oro che ritengono possa migliorare le prestazioni e l'efficienza delle celle a combustibile alimentate a idrogeno.

Scrivendo in Scienza rivista, il gruppo ha affermato che il suo catalizzatore, costituito da nanoparticelle d'oro simili a zattera su un tipo speciale di substrato di carburo di molibdeno (α-MoC), aveva raggiunto un alto livello di attività a basse temperature mentre produceva i flussi puri di idrogeno necessari per alimentare le celle a combustibile.

I ricercatori hanno affermato di aver raggiunto i loro risultati utilizzando la reazione di spostamento del gas dell'acqua (WGS), che converte il monossido di carbonio (CO) e l'acqua in idrogeno (H2) e anidride carbonica (CO2). Il gruppo è stato in grado di purificare l'idrogeno utilizzando tutta la CO disponibile, che tende a disattivare i catalizzatori delle celle a combustibile. La reazione del WGS, che viene tipicamente utilizzato per produrre idrogeno per la produzione di sostanze chimiche come l'ammoniaca, è anche una parte fondamentale dello sforzo di transizione dai combustibili a base di idrocarburi all'idrogeno.

"La nostra reazione produce un flusso di idrogeno altamente puro che non è contaminato da CO, che se presente avvelenerebbe i catalizzatori all'interno della cella a combustibile, " ha detto Christopher J. Kiely, l'Harold B. Chambers Professore Senior di Scienza dei Materiali e Ingegneria a Lehigh. "Siamo davvero entusiasti di questo sviluppo perché ci avvicina di un passo all'avere auto che funzionano con celle a combustibile a idrogeno".

Kiely ha affermato che l'uso del substrato α-MoC, un'innovazione di Ding Ma e dei suoi colleghi dell'Università di Pechino in Cina, ha consentito al gruppo di superare le carenze precedentemente riportate con la catalizzazione della reazione WGS.

"È noto da tempo che l'oro supportato su vari substrati di ossido potrebbe provocare la reazione WGS. Il punto critico fino ad oggi è stato che generalmente l'attività catalitica era troppo bassa e invariabilmente il catalizzatore non era abbastanza stabile per un uso a lungo termine".

Il gruppo ha riportato i suoi risultati il ​​28 luglio in un articolo intitolato "Ammassi di Au a strati atomici su carburo di alfa-molibdeno (α-MoC) come catalizzatori per la reazione di spostamento acqua-gas a bassa temperatura".

Oltre a Kiely, gli autori del documento includono Li Lu, un dottorato di ricerca a Lehigh candidato, e Wu Zhou, che ha conseguito il dottorato di ricerca a Lehigh nel 2010 ed è ora professore presso l'Università dell'Accademia cinese delle scienze a Pechino.

Gli altri autori sono affiliati all'Università di Pechino, Università di tecnologia di Dalian, Synfuels China e Taiyuan University of Technology, tutto in Cina, e Oak Ridge, Brookhaven e Lawrence Berkeley National Laboratories negli Stati Uniti. Lo scienziato principale del lavoro è Ding Ma, professore al College of Chemistry and Molecular Engineering e al College of Engineering dell'Università di Pechino a Pechino.

Per ottenere un'elevata attività catalitica a bassa temperatura (cioè, al di sotto dei 150 gradi C. necessari per far funzionare in modo efficiente una cella a combustibile), il gruppo ha disperso l'oro su un carburo (α-MoC) invece dell'ossido di ferro, ossido di cerio o altri substrati di ossido riducibili precedentemente provati per la reazione WGS. La nuova formulazione del catalizzatore si è dimostrata più stabile rispetto ai catalizzatori convenzionali, pur ottenendo un'attività molto maggiore, una misura dell'efficienza di un catalizzatore.

"La bellezza del supporto α-MoC, " disse Kiely, "è che può attivare l'acqua in modo da creare specie attive di ossidrile superficiale (OH), che può poi reagire con il CO per dare idrogeno e CO2. Il supporto in metallo duro gioca quindi un ruolo molto forte e critico in questa reazione.

"Questo sistema funziona molto bene alle temperature e alle pressioni necessarie per le applicazioni delle celle a combustibile e la sua attività è un ordine di grandezza migliore di quella dei catalizzatori a base d'oro precedentemente provati".

Negli studi condotti con il microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM) corretto per l'aberrazione di Lehigh, il gruppo ha dimostrato che l'oro esiste in due forme distinte sul supporto α-MoC.

"La microscopia ha dimostrato che l'oro esiste come zattere su scala nanometrica dello spessore di pochi atomi e anche come singoli atomi d'oro dispersi sul supporto, " disse Kiely, che dirige l'impianto di microscopia elettronica e nanofabbricazione di Lehigh.

"Abbiamo misurato l'attività catalitica con entrambe queste specie presenti sul supporto α-MoC. Quindi abbiamo rimosso selettivamente le particelle, lasciando solo gli atomi. Quando abbiamo fatto questo, l'attività è scesa a meno di un decimo del suo livello originario. Questo ci ha mostrato che la maggior parte dell'attività proviene da queste particelle simili a zattere".

L'articolo è il nono che Kiely ha pubblicato fino ad oggi su Science; ne ha anche pubblicati quattro su Nature. Le due pubblicazioni sono considerate le principali riviste scientifiche mondiali.

All'inizio di questo mese, Kiely ha ricevuto uno dei più alti riconoscimenti nel suo campo quando è stato nominato Fellow della Microscopy Society of America.

La designazione di MSA Fellow riconosce annualmente i membri più illustri della società i cui risultati e servizi hanno contribuito in modo significativo al progresso dei campi della microscopia e della microanalisi.

Kiely è stato citato per "illustri contributi alla caratterizzazione delle caratteristiche su scala nanometrica in materiali particolati e interfacce, in particolare nei settori dei materiali catalizzatori, fenomeni di autoassemblaggio delle nanoparticelle, materiali carboniosi, ed eterointerfacce a semiconduttore."