Un fattore che frena l'uso diffuso di celle a combustibile a idrogeno ecocompatibili nelle automobili, camion e altri veicoli è il costo dei catalizzatori al platino che fanno funzionare le celle. Un approccio all'utilizzo del platino meno prezioso è combinarlo con altri metalli più economici, ma quei catalizzatori in lega tendono a degradarsi rapidamente in condizioni di celle a combustibile.

Ora, i ricercatori della Brown University hanno sviluppato un nuovo catalizzatore in lega che riduce l'uso del platino e regge bene i test sulle celle a combustibile. Il catalizzatore, realizzato dalla lega di platino con cobalto in nanoparticelle, ha dimostrato di superare gli obiettivi del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per l'anno 2020 sia in termini di reattività che di durata, secondo i test descritti nella rivista Joule .

"La durabilità dei catalizzatori in lega è un grosso problema nel campo, " disse Junrui Li, uno studente laureato in chimica alla Brown e l'autore principale dello studio. "È stato dimostrato che le leghe hanno prestazioni migliori del platino puro inizialmente, ma nelle condizioni all'interno di una cella a combustibile la parte in metallo non prezioso del catalizzatore viene ossidata e dilavata molto rapidamente."

Per affrontare questo problema di lisciviazione, Li e i suoi colleghi hanno sviluppato nanoparticelle in lega con una struttura specializzata. Le particelle hanno un guscio esterno di platino puro che circonda un nucleo formato da strati alternati di atomi di platino e cobalto. Quella struttura centrale a strati è la chiave per la reattività e la durata del catalizzatore, dice Shouheng Sun, professore di chimica alla Brown e autore senior della ricerca.

"La disposizione a strati degli atomi nel nucleo aiuta a levigare e stringere il reticolo di platino nel guscio esterno, " ha detto Sun. "Ciò aumenta la reattività del platino e allo stesso tempo protegge gli atomi di cobalto dall'essere consumati durante una reazione. Ecco perché queste particelle si comportano molto meglio delle particelle di lega con disposizioni casuali di atomi di metallo".

I dettagli di come la struttura ordinata migliora l'attività del catalizzatore sono descritti brevemente nel Joule carta, ma più specificamente in un documento di modellazione computerizzato separato pubblicato nel Giornale di Fisica Chimica . Il lavoro di modellazione è stato condotto da Andrew Peterson, un professore associato presso la Brown's School of Engineering, che è stato anche coautore del Joule carta.

Per il lavoro sperimentale, i ricercatori hanno testato la capacità del catalizzatore di eseguire la reazione di riduzione dell'ossigeno, che è fondamentale per le prestazioni e la durata delle celle a combustibile. Su un lato di una cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM), gli elettroni strappati all'idrogeno creano una corrente che aziona un motore elettrico. Dall'altra parte della cella, gli atomi di ossigeno prendono quegli elettroni per completare il circuito. Questo viene fatto attraverso la reazione di riduzione dell'ossigeno.

I test iniziali hanno mostrato che il catalizzatore ha funzionato bene in ambiente di laboratorio, superando un catalizzatore in lega di platino più tradizionale. Il nuovo catalizzatore ha mantenuto la sua attività dopo 30, 000 cicli di tensione, mentre le prestazioni del catalizzatore tradizionale sono notevolmente diminuite.

Ma mentre i test di laboratorio sono importanti per valutare le proprietà di un catalizzatore, dicono i ricercatori, non mostrano necessariamente le prestazioni del catalizzatore in una cella a combustibile reale. L'ambiente delle celle a combustibile è molto più caldo e differisce in acidità rispetto agli ambienti di prova di laboratorio, che può accelerare la degradazione del catalizzatore. Per scoprire come reggerebbe il catalizzatore in quell'ambiente, i ricercatori hanno inviato il catalizzatore al Los Alamos National Lab per il test in una cella a combustibile reale.

I test hanno mostrato che il catalizzatore supera gli obiettivi fissati dal Dipartimento dell'Energia (DOE) sia per l'attività iniziale che per la durata a lungo termine. Il DOE ha sfidato i ricercatori a sviluppare un catalizzatore con un'attività iniziale di 0,44 ampere per milligrammo di platino entro il 2020, e un'attività di almeno 0,26 ampere per milligrammo dopo 30, 000 cicli di tensione (corrispondenti all'incirca a cinque anni di utilizzo in un veicolo a celle a combustibile). Il test del nuovo catalizzatore ha mostrato che aveva un'attività iniziale di 0,56 ampere per milligrammo e un'attività dopo 30, 000 cicli di 0,45 ampere.

"Anche dopo i 30, 000 cicli, il nostro catalizzatore ha ancora superato l'obiettivo DOE per l'attività iniziale, " ha detto Sun. "Questo tipo di prestazioni in un ambiente di celle a combustibile del mondo reale è davvero promettente".

I ricercatori hanno richiesto un brevetto provvisorio sul catalizzatore, e sperano di continuare a svilupparlo e perfezionarlo.