Film di platino di soli due atomi di spessore supportati da grafene potrebbero consentire catalizzatori di celle a combustibile con attività catalitica e longevità senza precedenti, secondo uno studio pubblicato di recente dai ricercatori del Georgia Institute of Technology.

Il platino è uno dei catalizzatori più comunemente usati per le celle a combustibile a causa dell'efficacia con cui consente la reazione di riduzione dell'ossidazione al centro della tecnologia. Ma il suo costo elevato ha stimolato gli sforzi di ricerca per trovare modi per utilizzarne quantità minori mantenendo la stessa attività catalitica.

"Ci sarà sempre un costo iniziale per la produzione di una cella a combustibile con catalizzatori al platino, ed è importante mantenere quel costo il più basso possibile, "ha detto Faisal Alamgir, professore associato presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. "Ma il costo reale di un sistema di celle a combustibile è calcolato da quanto tempo quel sistema dura, e questa è una questione di durata.

"Recentemente c'è stata una spinta all'uso di sistemi catalitici senza platino, ma il problema è che finora non è stato proposto un sistema che corrisponda contemporaneamente all'attività catalitica e alla durabilità del platino, " ha detto Alamgir.

I ricercatori della Georgia Tech hanno provato una strategia diversa. Nello studio, che è stato pubblicato il 18 settembre sulla rivista Materiali funzionali avanzati e sostenuto dalla National Science Foundation, descrivono la creazione di diversi sistemi che utilizzavano film di platino atomicamente sottili supportati da uno strato di grafene, massimizzando efficacemente l'area superficiale totale del platino disponibile per le reazioni catalitiche e utilizzando una quantità molto più piccola del metallo prezioso.

La maggior parte dei sistemi catalitici a base di platino utilizza nanoparticelle del metallo legate chimicamente a una superficie di supporto, dove gli atomi superficiali delle particelle svolgono la maggior parte del lavoro catalitico, e il potenziale catalitico degli atomi al di sotto della superficie non è mai utilizzato pienamente come gli atomi di superficie, se non del tutto.

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che i nuovi film di platino che sono spessi almeno due atomi hanno superato il platino di nanoparticelle nell'energia di dissociazione, che è una misura del costo energetico per rimuovere un atomo di platino dalla superficie. Questa misurazione suggerisce che quei film potrebbero creare sistemi catalitici potenzialmente più duraturi.

Per preparare i film atomicamente sottili, i ricercatori hanno utilizzato un processo chiamato deposizione elettrochimica di strati atomici per far crescere monostrati di platino su uno strato di grafene, creando campioni che ne avevano uno, due o tre strati atomici di atomi. I ricercatori hanno quindi testato i campioni per l'energia di dissociazione e hanno confrontato i risultati con l'energia di un singolo atomo di platino su grafene e con l'energia di una configurazione comune di nanoparticelle di platino utilizzate nei catalizzatori.

"La domanda fondamentale al centro di questo lavoro era se fosse possibile che una combinazione di legame metallico e covalente potesse rendere gli atomi di platino in una combinazione platino-grafene più stabili rispetto alle loro controparti nel platino sfuso usato comunemente nei catalizzatori supportati da legame metallico, " disse Seung Soon Jang, professore associato presso la Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali.

I ricercatori hanno scoperto che il legame tra gli atomi di platino vicini nel film essenzialmente combina le forze con il legame tra il film e lo strato di grafene per fornire rinforzo in tutto il sistema. Ciò era particolarmente vero nel film di platino che era spesso due atomi.

"Tipicamente i film metallici al di sotto di un certo spessore non sono stabili perché i legami tra loro non sono direzionali, e tendono a rotolare l'uno sull'altro e a conglomerarsi per formare una particella, " ha detto Alamgir. "Ma questo non è vero con il grafene, che è stabile in una forma bidimensionale, anche un atomo di spessore, perché ha legami direzionali covalenti molto forti tra i suoi atomi vicini. Quindi questo nuovo sistema catalitico potrebbe sfruttare il legame direzionale del grafene per supportare un film di platino atomicamente sottile".

La ricerca futura comporterà ulteriori test sul comportamento dei film in un ambiente catalitico. I ricercatori hanno scoperto in precedenti ricerche sui film di grafene-platino che il materiale si comporta in modo simile nelle reazioni catalitiche indipendentemente da quale lato, grafene o platino, sia la superficie attiva esposta.

"In questa configurazione, il grafene non agisce come un'entità separata dal platino, " Ha detto Alamgir. "Stanno lavorando insieme come uno. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."