I veicoli alimentati da celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC) sono efficienti dal punto di vista energetico ed ecologici, ma nonostante il crescente interesse del pubblico per il trasporto alimentato da PEMFC, le prestazioni attuali dei materiali utilizzati nelle celle a combustibile limitano la loro diffusa commercializzazione.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno guidato un team per studiare le reazioni nei PEMFC, e le loro scoperte hanno portato alla creazione di una tecnologia che potrebbe portare le celle a combustibile un passo più vicino alla realizzazione del loro pieno potenziale di mercato.

Le PEMFC si affidano all'idrogeno come combustibile, che viene ossidato sul lato anodico della cella attraverso una reazione di ossidazione dell'idrogeno, mentre l'ossigeno dell'aria viene utilizzato per una reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) al catodo. Attraverso questi processi, le celle a combustibile producono elettricità per alimentare i motori elettrici dei veicoli e altre applicazioni, emettendo acqua come unico sottoprodotto.

a base di platino, le nanoparticelle sono i materiali più efficaci per promuovere le reazioni nelle celle a combustibile, compreso l'ORR nel catodo. Però, oltre al loro alto costo, le nanoparticelle di platino soffrono di una graduale degradazione, soprattutto nel catodo, che limita le prestazioni catalitiche e riduce la durata della cella a combustibile.

Il gruppo di ricerca, che includeva l'Oak Ridge National Laboratory del DOE e diversi partner universitari, ha utilizzato un nuovo approccio per esaminare i processi di dissoluzione del platino a livello atomico e molecolare. L'indagine ha permesso loro di identificare il meccanismo di degradazione durante l'ORR catodico, e le intuizioni hanno guidato la progettazione di un nanocatalizzatore che utilizza l'oro per eliminare la dissoluzione del platino.

"La dissoluzione del platino avviene su scala atomica e molecolare durante l'esposizione all'ambiente altamente corrosivo nelle celle a combustibile, " disse Vojislav Stamenkovic, uno scienziato senior e leader del gruppo per il gruppo di conversione e stoccaggio dell'energia nella divisione di scienza dei materiali (MSD) di Argonne. "Questa degradazione del materiale influisce sulle operazioni a lungo termine della cella a combustibile, presentando un ostacolo per l'implementazione delle celle a combustibile nei trasporti, specificamente in applicazioni pesanti come i camion a lungo raggio."

Iniziando in piccolo

Gli scienziati hanno utilizzato una serie di strumenti di caratterizzazione personalizzati per studiare la dissoluzione di strutture di platino ben definite in superfici a cristallo singolo, film sottili e nanoparticelle.

"Abbiamo sviluppato capacità di osservare i processi su scala atomica per comprendere i meccanismi responsabili della dissoluzione e per identificare le condizioni in cui si verifica, " disse Pietro Papa Lopes, uno scienziato nel MSD di Argonne e primo autore dello studio. "Quindi abbiamo implementato questa conoscenza nella progettazione dei materiali per mitigare la dissoluzione e aumentare la durata".

Il team ha studiato la natura della dissoluzione a livello fondamentale utilizzando strumenti specifici per la superficie, metodi elettrochimici, spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente, modellazione computazionale e forza atomica, tunneling a scansione e microscopi a trasmissione ad alta risoluzione.

Inoltre, gli scienziati hanno fatto affidamento su un approccio di sintesi ad alta precisione per creare strutture con proprietà fisiche e chimiche ben definite, assicurando che le relazioni tra struttura e stabilità scoperte dallo studio delle superfici 2-D fossero trasferite alle nanoparticelle 3-D che hanno prodotto.

"Abbiamo eseguito questi studi, da cristalli singoli, a film sottili, alle nanoparticelle, che ci ha mostrato come sintetizzare catalizzatori al platino per aumentare la durata, " disse Lopes, "e guardando questi diversi materiali, abbiamo anche identificato strategie per l'utilizzo dell'oro per proteggere il platino".

Andando per l'oro

Mentre gli scienziati hanno scoperto la natura fondamentale della dissoluzione osservando il suo verificarsi in diversi scenari del banco di prova, il team ha utilizzato la conoscenza per mitigare la dissoluzione con l'aggiunta di oro.

I ricercatori hanno utilizzato le funzionalità di microscopia elettronica a trasmissione presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne e presso il Center for Nanophase Materials Sciences presso l'Oak Ridge National Laboratory, entrambi DOE Office of Science User Facilities, per visualizzare le nanoparticelle di platino dopo la sintesi e prima e dopo l'operazione. Questa tecnica ha permesso agli scienziati di confrontare la stabilità delle nanoparticelle con e senza oro incorporato.

Il team ha scoperto che il posizionamento controllato dell'oro nel nucleo favorisce la disposizione del platino in una struttura superficiale ottimale che garantisce un'elevata stabilità. Inoltre, l'oro è stato depositato selettivamente sulla superficie per proteggere siti specifici che il team ha identificato come particolarmente vulnerabili alla dissoluzione. Questa strategia elimina la dissoluzione del platino anche dalle più piccole nanoparticelle utilizzate in questo studio, mantenendo gli atomi di platino attaccati ai siti in cui possono ancora catalizzare efficacemente l'ORR.

Comprensione a livello atomico

Comprendere i meccanismi alla base della dissoluzione a livello atomico è essenziale per scoprire la correlazione tra perdita di platino, struttura superficiale e dimensione e rapporto delle nanoparticelle di platino, e determinare come queste relazioni influenzano il funzionamento a lungo termine.

"La parte nuova di questa ricerca è risolvere i meccanismi e mitigare completamente la dissoluzione del platino mediante la progettazione del materiale a diverse scale, da cristalli singoli e film sottili a nanoparticelle, " ha affermato Stamenkovic. "Sono le intuizioni che abbiamo acquisito in concomitanza con la progettazione e la sintesi di un nanomateriale che affronta i problemi di durabilità nelle celle a combustibile, così come la capacità di delineare e quantificare la dissoluzione del catalizzatore al platino da altri processi che contribuiscono al decadimento delle prestazioni delle celle a combustibile".

Il team sta anche sviluppando un algoritmo di invecchiamento predittivo per valutare la durata a lungo termine delle nanoparticelle a base di platino e ha riscontrato un miglioramento di 30 volte nella durata rispetto alle nanoparticelle senza oro.

Un documento sullo studio, intitolato "Eliminare la dissoluzione degli elettrocatalizzatori a base di platino su scala atomica, " è stato pubblicato il 20 luglio in Materiali della natura .