Alimentazione pulita, le auto efficienti sono solo uno dei modi in cui la tecnologia delle celle a combustibile potrebbe accelerare l'umanità verso un futuro energetico sostenibile, ma sfortunatamente, la tecnologia è stata un po' lenta. Ora, gli ingegneri potrebbero essere in grado di mettere essenzialmente il turbo alle celle a combustibile con un nuovo catalizzatore.

La lentezza viene da un collo di bottiglia chimico, il tasso di trasformazione dell'ossigeno, un ingrediente chiave che aiuta le celle a combustibile, che sono legati alle batterie, produrre elettricità. Il nuovo catalizzatore, un materiale nanotecnologico sviluppato dagli ingegneri del Georgia Institute of Technology, accelera notevolmente il trattamento dell'ossigeno ed è oggetto di un nuovo studio.

In parte per adattarsi alle limitazioni dell'ossigeno, le celle a combustibile di solito richiedono idrogeno puro, che reagisce con l'ossigeno prelevato dall'aria, ma i costi di produzione dell'idrogeno sono stati proibitivi. Il nuovo catalizzatore è un potenziale punto di svolta.

"Può facilmente convertire il combustibile chimico in elettricità con alta efficienza, " ha detto Meilin Liu, che ha guidato lo studio ed è professore presso la School of Material Science and Engineering della Georgia Tech. "Può consentire di utilizzare combustibili facilmente disponibili come il metano o il gas naturale o semplicemente utilizzare il combustibile a idrogeno in modo molto più efficiente, " ha detto Liù.

Catalizzatore 8 volte più veloce

Il catalizzatore raggiunge l'efficienza facendo scorrere l'ossigeno attraverso il sistema di una cella a combustibile. "È più di otto volte più veloce dei materiali all'avanguardia che fanno la stessa cosa ora, " disse Yu Chen, un associato di ricerca post-dottorato nel laboratorio di Liu e primo autore dello studio.

Ci sono alcuni tipi di celle a combustibile, ma i ricercatori hanno lavorato per migliorare le celle a combustibile ad ossido solido, che si trovano in alcuni prototipi di auto a celle a combustibile. Le intuizioni della ricerca potrebbero anche aiutare ad affinare i supercondensatori e la tecnologia abbinata ai pannelli solari, avanzando così l'energia sostenibile oltre il potenziale immediato del nuovo catalizzatore per migliorare le celle a combustibile.

Liu e Chen hanno pubblicato il loro studio nel numero di marzo della rivista Joule . La loro ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dal Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Program. Il lavoro sulle celle a combustibile del laboratorio di Liu ha già attirato un notevole interesse nell'industria energetica e nell'industria automobilistica.

Ossigeno naturalmente lento

Sebbene funzionino in modo diverso dalle celle a combustibile e siano molto meno efficienti e pulite, i motori a combustione sono un'utile metafora per aiutare a capire come funzionano le celle a combustibile e il nuovo catalizzatore.

In un motore a combustione, carburante da un serbatoio e ossigeno dall'aria si uniscono per reagire in un'esplosione, producendo energia che fa girare un albero a gomiti. L'aggiunta di un turbocompressore accelera il processo miscelando più rapidamente carburante e ossigeno e portandoli alla combustione.

Attualmente, nelle celle a combustibile, anche l'idrogeno da un serbatoio e l'ossigeno dall'aria guidano un processo che produce energia, in questo caso, elettricità. I due ingredienti si uniscono in una reazione, ma molto diverso dalla combustione, e molto più pulito.

Un'estremità della cella a combustibile, l'anodo, rimuove gli elettroni dagli atomi di idrogeno in quella che viene chiamata ossidazione e invia gli elettroni attraverso un circuito esterno come corrente elettrica al catodo dall'altra parte. Là, ossigeno, che è notoriamente affamato di elettroni, aspira gli elettroni in quella che viene chiamata riduzione, e che mantiene l'elettricità che scorre.

L'idrogeno, ora carica positivamente, e l'ossigeno, ora carica negativamente, si incontrano per formare acqua, che è lo scarico della cella a combustibile.

In quella catena di reazione, l'ossigeno è il collegamento lento in due modi:la riduzione dell'ossigeno richiede più tempo dell'ossidazione dell'idrogeno, e l'ossigeno ridotto si muove più lentamente attraverso il sistema per incontrare l'idrogeno. Analogo al turbocompressore, il nuovo catalizzatore spinge l'ossigeno in avanti.

Nano corsa all'ossigeno

Il catalizzatore viene applicato come un rivestimento trasparente spesso solo circa due dozzine di nanometri ed è composto da due soluzioni nanotecnologiche collegate che rompono entrambi i colli di bottiglia dell'ossigeno.

Primo, nanoparticelle altamente attraenti per l'ossigeno afferrano la molecola di O2 e lasciano che gli elettroni in ingresso saltino rapidamente su di essa, riducendola facilmente e lacerandola in due ioni di ossigeno separati (ognuno un O2-). Quindi una serie di vuoti chimici chiamati vacanze di ossigeno che sono incorporati nelle strutture delle nanoparticelle risucchiano gli ioni di ossigeno come catene di aspirapolvere che passano gli ioni di mano in mano alla seconda fase del catalizzatore.

La seconda fase è un rivestimento pieno di vuoti di ossigeno che può far passare l'O2 ancora più rapidamente verso la sua destinazione finale.

"L'ossigeno scende rapidamente attraverso i canali ed entra nella cella a combustibile, dove incontra l'idrogeno ionizzato o un altro donatore di elettroni come il metano o il gas naturale."

Gli ioni si incontrano per fare l'acqua, che esce dalla cella a combustibile. Nel caso del metano, viene emessa anche CO2 pura, che può essere catturato e riciclato in combustibile.

Metalli rari interessanti

Nella prima fase, ci sono due diversi gusti di nanoparticelle al lavoro. Entrambi hanno cobalto, ma uno contiene bario e l'altro praseodimio, un metallo delle terre rare che può essere costoso in quantità elevate.

"Il praseodimio è in quantità così piccole che non incide sui costi, " Liu ha detto. "E il catalizzatore consente di risparmiare un sacco di soldi sul carburante e su altre cose."

Le alte temperature di esercizio nelle celle a combustibile esistenti richiedono costosi involucri protettivi e materiali di raffreddamento. I ricercatori ritengono che il catalizzatore potrebbe aiutare ad abbassare le temperature riducendo la resistenza elettrica inerente all'attuale chimica delle celle a combustibile. Quello potrebbe, a sua volta, ridurre i costi complessivi dei materiali.

Rivestimento protettivo del catodo

Il secondo stadio del catalizzatore è un reticolo che contiene praseodimio e bario, così come calcio e cobalto (PBCC). Oltre alla sua funzione catalitica, il rivestimento PBCC protegge il catodo dalla degradazione che può limitare la durata delle celle a combustibile e dispositivi simili.

Il materiale catodico originale sottostante, che contiene i metalli lantanio, stronzio, cobalto, e ferro (LSCF), è diventato uno standard del settore, ma viene fornito con un avvertimento.

"È molto conduttivo, molto bene, ma il problema è che lo stronzio subisce una diminuzione chiamata segregazione nel materiale, " Liu ha detto. "Un componente del nostro catalizzatore, PBCC, funge da rivestimento e mantiene l'LSCF molto più stabile."

La produzione LSCF è già consolidata, e l'aggiunta del rivestimento catalitico alla produzione potrebbe essere ragionevolmente ottenuta. Liu sta anche valutando di sostituire completamente il catodo LSCF con il nuovo materiale catalizzatore, e il suo laboratorio sta sviluppando un altro catalizzatore per aumentare le reazioni di ossidazione del carburante all'anodo della cella a combustibile.