L'alto costo dei catalizzatori al platino utilizzati nelle celle a combustibile a idrogeno limita la commercializzazione dei veicoli elettrici a celle a combustibile. Gli scienziati stanno studiando catalizzatori alternativi per aumentare l'economicità e mantenere l'efficienza delle celle a combustibile a idrogeno.

I ricercatori sono sempre più alla ricerca di sistemi di celle a combustibile a idrogeno come fonti di energia alternative per veicoli e altre applicazioni a causa del loro rapido tempo di rifornimento, alta densità energetica e assenza di emissioni nocive o sottoprodotti.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno recentemente sviluppato e studiato catalizzatori per celle a combustibile, sostanze chimiche che accelerano importanti reazioni delle celle a combustibile, che non utilizzano il platino. La ricerca fornisce una migliore comprensione dei meccanismi che rendono efficaci questi catalizzatori, e le nuove intuizioni potrebbero aiutare a informare la produzione di catalizzatori ancora più efficienti ed economici.

Le celle a combustibile a idrogeno disponibili in commercio si basano sulla reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR), che divide le molecole di ossigeno in ioni di ossigeno e le combina con i protoni per formare l'acqua. La reazione fa parte del processo globale delle celle a combustibile che converte l'idrogeno e l'ossigeno nell'aria in acqua ed elettricità. L'ORR è una reazione relativamente lenta, limitando l'efficienza delle celle a combustibile e richiedendo una grande quantità di catalizzatore al platino.

"Attualmente, la reazione di riduzione dell'ossigeno è facilitata da catalizzatori in lega di platino, che sono il componente più costoso degli elettrodi delle celle a combustibile, " disse Deborah Myers, un chimico senior e il leader del gruppo Hydrogen and Fuel Cell Materials nella divisione Chemical Sciences and Engineering (CSE) di Argonne. "Molto diffuso, la commercializzazione sostenibile dei veicoli elettrici a celle a combustibile richiede una drastica riduzione della quantità di platino necessaria o la sostituzione dei catalizzatori al platino con quelli realizzati in abbondanza di terra, materiali economici come il ferro."

Il catalizzatore senza platino più promettente per l'uso nell'ORR è a base di ferro, azoto e carbonio. Per produrre il catalizzatore, gli scienziati mescolano precursori contenenti i tre elementi e li riscaldano tra 900 e 1100 gradi Celsius in un processo chiamato pirolisi.

Dopo la pirolisi, gli atomi di ferro nel materiale sono legati con quattro atomi di azoto e annegati in un piano di grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo. Ciascuno degli atomi di ferro costituisce un sito attivo, o un sito in cui può verificarsi l'ORR. Una maggiore densità di siti attivi nel materiale rende l'elettrodo più efficiente.

"I meccanismi con cui si formano i siti attivi durante la pirolisi sono ancora molto misteriosi, " ha detto Myers. "Abbiamo osservato il processo in tempo reale su scala atomica per ottenere comprensione e per informare la progettazione di catalizzatori più performanti".

Myers e collaboratori hanno condotto la spettroscopia di assorbimento di raggi X in situ presso il Materials Research Collaborative Access Team (MR-CAT) presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE degli Stati Uniti, per scoprire il comportamento del materiale su scala atomica durante la pirolisi. Hanno puntato un raggio di raggi X attraverso il ferro, precursori dell'azoto e del carbonio e osservato quali elementi si legavano chimicamente tra loro e come.

Gli scienziati hanno scoperto che durante la pirolisi del ferro, miscela di precursori di azoto e carbonio, si formano prima i siti azoto-grafene, e quindi atomi di ferro gassosi si inseriscono in questi siti. Hanno anche scoperto che possono produrre una maggiore densità di siti attivi nel catalizzatore inserendo prima l'azoto nel carbonio, utilizzando una tecnica chiamata doping, e quindi introducendo ferro nel sistema durante la pirolisi, invece di riscaldare tutti e tre i componenti insieme.

Durante questo processo, gli scienziati mettono il carbonio drogato con azoto nella fornace, e gli atomi di ferro gassosi si inseriscono in posti vacanti al centro di gruppi di quattro atomi di azoto, formazione di siti attivi. Questo approccio evita il raggruppamento e la sepoltura di atomi di ferro nella massa del carbonio, aumentando il numero di siti attivi sulla superficie del grafene.

Lo studio faceva parte di un progetto più ampio finanziato dal DOE Fuel Cell Technologies Office, denominato Consorzio Elettrocatalisi (ElectroCat), mirato specificamente a guidare lo sviluppo di catalizzatori privi di platino per celle a combustibile.

ElectroCat è guidato da Argonne e dal Los Alamos National Laboratory del DOE e ha membri tra cui il National Renewable Energy Laboratory del DOE e l'Oak Ridge National Laboratory. Questo studio è nato da una collaborazione tra ElectroCat e la Northeastern University.

"La nostra missione come uno dei principali membri del laboratorio nazionale di ElectroCat è non solo sviluppare i nostri catalizzatori nel consorzio, ma anche per supportare collaborazioni con università e industria, " ha detto Myers.

Le conclusioni di questo studio aiutano a colmare il divario di conoscenze tra i precursori di input e la struttura risultante del catalizzatore dopo la pirolisi. La scoperta fondamentale offre agli scienziati una strada per aumentare la densità del sito attivo nel materiale, e il gruppo continuerà a sviluppare catalizzatori privi di platino più attivi e stabili da utilizzare nelle celle a combustibile a idrogeno.

Un documento che illustra i risultati dello studio, intitolato "Percorso di evoluzione dai composti del ferro ai siti Fe1 (II) -N4 attraverso il ferro in fase gassosa durante la pirolisi, " è stato pubblicato il 27 dicembre 2019, nel Giornale della Società Chimica Americana .