I ricercatori hanno utilizzato il plasma per creare nuovi catalizzatori molto più economici e quasi altrettanto efficaci dello standard, versioni del gruppo del platino. Credito:Princeton University
Come può attestare chiunque abbia acquistato gioielli, il platino è costoso. È dura per i consumatori, ma anche un serio ostacolo per una promettente fonte di elettricità per i veicoli:la cella a combustibile a idrogeno, che si basa sul platino.
Ora un gruppo di ricerca guidato da Bruce E. Koel, professore di ingegneria biologica e chimica alla Princeton University, ha aperto le porte alla ricerca di alternative molto più economiche. In un articolo pubblicato il 4 aprile sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno riferito che un composto chimico a base di afnio ha funzionato circa il 60 percento con la stessa efficacia dei materiali correlati al platino, ma a circa un quinto del costo.
"Speriamo di trovare qualcosa di più abbondante ed economico per catalizzare le reazioni, " disse Xiaofang Yang, scienziato principale di HiT Nano Inc. e collaboratore in visita a Princeton che sta lavorando con Koel al progetto.
Le celle a combustibile funzionano convertendo l'energia immagazzinata negli atomi di idrogeno direttamente in elettricità. La NASA utilizza da tempo le celle a combustibile per alimentare i satelliti e altre missioni spaziali. Oggi, stanno iniziando ad essere utilizzati per auto elettriche e autobus.
L'idrogeno è l'elemento più semplice e abbondante non solo su questo pianeta, ma anche nell'universo conosciuto.
Al livello più elementare, le celle a combustibile producono elettricità scindendo l'idrogeno nei suoi due componenti, un protone e un elettrone. I protoni fluiscono attraverso una membrana e si combinano con l'ossigeno per formare acqua. Gli elettroni caricati negativamente fluiscono verso un polo caricato positivamente nella cella a combustibile. Questo flusso di elettroni è la corrente che la cella a combustibile genera, che possono alimentare motori o altri dispositivi elettrici. Questa scissione richiede un materiale come il platino per catalizzare la reazione.
I catalizzatori vengono utilizzati anche nelle reazioni che creano il gas idrogeno che funge da combustibile per la cella a combustibile. Nel più desiderabile, caso indipendente dai combustibili fossili, l'energia elettrica rinnovabile può essere utilizzata per scindere le molecole d'acqua (due atomi di idrogeno e uno di ossigeno) in presenza di un catalizzatore. La reazione divide l'acqua in ossigeno e idrogeno. Più efficiente è il catalizzatore, meno energia è necessaria per dividere l'acqua.
Alcune celle a combustibile avanzate, chiamate celle a combustibile rigenerative, combinare entrambe le reazioni. Ma la maggior parte delle attuali celle a combustibile si basa sull'idrogeno creato da sistemi separati e venduto come combustibile.
I ricercatori di Princeton hanno sviluppato un metodo per creare catalizzatori a basso costo per le celle a combustibile e la produzione di idrogeno. Da sinistra, il gruppo di ricerca includeva Bruce Koel, professore di ingegneria chimica e biologica; e i co-ricercatori Xiaofang Yang, un ricercatore in visita; Zanna Zhao, un ricercatore post-dottorato; e Nan Yao, uno studioso di ricerca senior e direttore del Centro di imaging e analisi presso l'istituto dei materiali di Princeton. Foto di Frank Wojciechowski
Proprio adesso, i migliori catalizzatori per entrambe le reazioni sono i metalli del gruppo del platino. I ricercatori non pensano che cambierà perché "il platino è quasi perfetto, " disse Koel. Con i metalli del gruppo del platino, le reazioni elettrochimiche per estrarre l'idrogeno sono rapide ed efficienti, inoltre i metalli possono resistere alle dure condizioni acide attualmente richieste per tali reazioni.
Il problema, anche se, è che il platino è raro e costoso. "Non puoi davvero immaginare di sostituire l'infrastruttura di trasporto con celle a combustibile a base di platino, " ha detto Koel. "È troppo raro e troppo costoso da usare su quella scala".
Per tali applicazioni, la perfezione del platino potrebbe non essere necessaria. Un sostituto abbastanza buono, i ricercatori hanno scoperto, è l'ossiidrossido di afnio che è stato trattato con un plasma di azoto (il plasma è un gas ionizzato ed è uno stato della materia che si trova nelle luci fluorescenti e nel sole) per incorporare atomi di azoto nel materiale.
In precedenza, molti materiali sono stati trascurati per le applicazioni elettrochimiche perché non conduttivi. Però, i ricercatori hanno scoperto che la lavorazione dell'ossido di afnio con il plasma di azoto forma una sottile pellicola di materiale che funziona come un catalizzatore altamente attivo che sopravvive anche in condizioni di forte acidità.
Sebbene questa pellicola a base di afnio sia efficace solo per i due terzi circa del platino, l'afnio è molto più economico del platino. I ricercatori hanno in programma di testare lo zirconio, che è ancora più economico, prossimo.
Sebbene possano essere utili nelle celle a combustibile, Yang e Koel ritengono che questi tipi di materiali potrebbero essere più preziosi nei sistemi che utilizzano un catalizzatore per dividere elettrochimicamente l'acqua per produrre idrogeno da utilizzare come combustibile.
"La futura economia rinnovabile dipende fortemente da come possiamo dividere in modo efficiente l'acqua per generare idrogeno, " Yang ha detto. "Questo passaggio è piuttosto importante."
Ma Yang e Koel sottolineano che la loro scoperta non porterà ancora a una corsa verso nuove tecnologie a prezzi accessibili, e nemmeno nel prossimo futuro. Proprio adesso, la procedura per creare il materiale è complessa e limitata al laboratorio. Anche se hanno confermato la performance del film, bisogna sempre considerare l'ingegneria necessaria per realizzarlo praticamente su larga scala. Anziché, questa scoperta sta aprendo la porta a ulteriori esplorazioni di materiali che potrebbero essere in grado di sostituire il platino.
"Ancora non capiamo perché questo particolare materiale sia così speciale, ma siamo fiduciosi sulle proprietà che abbiamo misurato, " disse Koel. "Il materiale è complicato, quindi abbiamo molto lavoro da fare".
