Nel diario Scienza , I chimici di Argonne hanno identificato un nuovo catalizzatore che massimizza l'efficacia del platino.

Il platino è un metallo prezioso più raro dell'argento o dell'oro. Rinomato nella comunità delle celle a combustibile per la sua efficacia nel convertire l'idrogeno e l'ossigeno in acqua ed elettricità, il platino offre un'attività e una stabilità senza rivali per le reazioni elettrochimiche.

Ma il platino è sia raro che costoso, il che significa che gli scienziati stanno cercando di creare pratici catalizzatori per celle a combustibile che utilizzino molto meno del costoso metallo prezioso.

In una nuova ricerca dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), pubblicato in Scienza , gli scienziati hanno identificato un nuovo catalizzatore che utilizza solo circa un quarto di platino rispetto alla tecnologia attuale, massimizzando l'efficacia del platino disponibile.

In una cella a combustibile, il platino viene utilizzato in due modi: per convertire l'idrogeno in protoni ed elettroni, e per rompere i legami di ossigeno e alla fine formare acqua. Quest'ultima reazione, la reazione di riduzione dell'ossigeno, richiede una quantità particolarmente elevata di platino, e gli scienziati hanno cercato un modo per ridurre il contenuto di platino nei catalizzatori per la riduzione dell'ossigeno.

Gli scienziati di Argonne hanno trovato nuovi modi per migliorare sostanzialmente l'utilizzo del platino. Primo, hanno modificato la forma del platino per massimizzarne la disponibilità e la reattività nel catalizzatore. In questa configurazione, alcuni strati di atomi di platino puro coprono un nucleo di nanoparticelle in lega di cobalto-platino per formare una struttura nucleo-guscio.

"Se ti viene data solo una piccola quantità di platino, in primo luogo, devi sfruttarlo al meglio, " ha detto il chimico delle Argonne Di-Jia Liu, il corrispondente autore dello studio. "Utilizzare una lega nucleo-guscio di platino-cobalto ci consente di produrre un numero maggiore di particelle cataliticamente attive da diffondere sulla superficie del catalizzatore, ma questo è solo il primo passo".

Le nanoparticelle core-shell da sole non sono ancora in grado di gestire un grande afflusso di ossigeno quando la cella a combustibile deve aumentare la corrente elettrica. Per aumentare l'efficienza del catalizzatore, Liu e i suoi colleghi hanno fatto affidamento su un altro approccio che conoscevano bene dalle loro ricerche passate, producendo un catalizzatore attivo, substrato privo di metalli del gruppo del platino (privo di PGM) come supporto per le nanoparticelle di lega di cobalto-platino.

Utilizzando strutture metallo-organiche come precursori, Liu e i suoi colleghi sono stati in grado di preparare un substrato composito di cobalto-azoto-carbonio in cui i centri cataliticamente attivi sono distribuiti uniformemente vicino alle particelle di platino-cobalto. Tali centri attivi sono in grado di rompere da soli i legami di ossigeno e di lavorare in sinergia con il platino.

"Puoi pensarla come una squadra di football molecolare, " Liu ha detto. "Le nanoparticelle nucleo-guscio si comportano come uomini di linea difensivi sparsi sottilmente in tutto il campo, cercando di affrontare troppe molecole di ossigeno contemporaneamente. Quello che abbiamo fatto è rendere cataliticamente attivo il "campo" stesso, in grado di assistere l'affronto di ossigeno."

Come si è scoperto, il nuovo catalizzatore combinato non solo ha migliorato l'attività ma anche la durata rispetto a entrambi i componenti da soli.

Liu e i suoi colleghi hanno creato un processo brevettato che prevede prima il riscaldamento di strutture metallo-organiche contenenti cobalto. All'aumentare della temperatura, alcuni degli atomi di cobalto interagiscono con le sostanze organiche per formare un substrato privo di PGM mentre altri sono ridotti a piccoli cluster metallici ben dispersi in tutto il substrato. Dopo l'aggiunta di platino seguita da ricottura, Le particelle core-shell di platino-cobalto sono formate e circondate da siti attivi privi di PGM.

Sebbene l'obiettivo finale sia eliminare completamente il platino dai catalizzatori delle celle a combustibile a idrogeno, Liu ha affermato che l'attuale ricerca apre una nuova direzione nell'affrontare sia l'attività del catalizzatore delle celle a combustibile che la durata in modo economico. "Poiché i nuovi catalizzatori richiedono solo una quantità estremamente bassa di platino, simile a quello utilizzato nei convertitori catalitici per automobili esistenti, potrebbe aiutare a facilitare la transizione dai motori a combustione interna convenzionali ai veicoli a celle a combustibile senza interrompere la catena di approvvigionamento e il mercato del platino, " Egli ha detto.

Lo studio consisteva nella progettazione e sintesi di catalizzatori, modellazione computazionale e caratterizzazione strutturale avanzata presso l'Advanced Photon Source e il Center for Nanoscale Materials di Argonne, entrambe le strutture per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE.

Un documento basato sullo studio, "Catalizzatori per celle a combustibile al platino-cobalto a caricamento ultrabasso derivati ​​da strutture di imidazolato, " apparso nel numero dell'8 novembre di Scienza .