Diagramma concettuale del catalizzatore a singolo atomo sviluppato dai ricercatori KIST. Credito:Korea Institute of Science and Technology (KIST)
A differenza delle batterie secondarie che necessitano di essere ricaricate, Le celle a combustibile sono un tipo di sistema di generazione di energia ecologico che produce elettricità direttamente da reazioni elettrochimiche utilizzando l'idrogeno come combustibile e l'ossigeno come ossidante. Esistono vari tipi di celle a combustibile, differenti per temperature di esercizio e materiali elettrolitici. Celle a combustibile ad ossido solido (SOFC), che utilizzano un elettrolita ceramico, stanno ricevendo una crescente attenzione. Poiché operano ad alte temperature intorno ai 700 gradi Celsius, offrono la massima efficienza tra i tipi di celle a combustibile, e può anche essere utilizzato per produrre idrogeno mediante decomposizione in vapore. Per la commercializzazione di questa tecnologia, è necessario un ulteriore miglioramento delle prestazioni della cella, e sono molto attesi nuovi materiali catalitici per alte temperature.
I catalizzatori a base di platino (Pt) dimostrano prestazioni eccellenti nelle reazioni degli elettrodi delle celle a combustibile. I catalizzatori Pt a singolo atomo sono interessanti per la loro funzionalità unica. Però, ad alte temperature, gli atomi di Pt non sono stabili e si agglomerano facilmente. Perciò, I catalizzatori a singolo atomo di Pt sono stati utilizzati solo in celle a combustibile a bassa temperatura, come le celle a combustibile a membrana polimerica-elettrolitica, utilizzati per i veicoli elettrici a idrogeno.
Un team di ricerca ha ora sviluppato un catalizzatore che richiede solo una piccola quantità di platino per un significativo miglioramento delle prestazioni, e può funzionare stabilmente a temperature elevate. Il dottor Kyung-Joong Yoon e il ricercatore Ji-Su Shin del Centro per la ricerca sui materiali energetici, insieme al professor Yun Jung Lee dell'Università di Hanyang hanno sviluppato un catalizzatore di Pt a singolo atomo che può essere utilizzato per le SOFC.
Nella loro ricerca, interi atomi di platino sono distribuiti uniformemente e funzionano individualmente senza agglomerazione, anche ad alte temperature. È stato dimostrato sperimentalmente di aumentare la velocità di reazione dell'elettrodo di oltre 10 volte. Può funzionare anche per più di 500 ore, anche ad alte temperature fino a 700 gradi Celsius e migliora da tre a quattro volte la generazione di energia elettrica e le prestazioni di produzione di idrogeno. Si prevede di accelerare la commercializzazione delle celle a combustibile ad ossido solido (SOFC), la prossima generazione di celle a combustibile ecocompatibili.
(a sinistra) elettrodo di cella a combustibile ad ossido solido (al centro) un catalizzatore a singolo atomo formato sulla superficie all'interno dell'elettrodo. (a destra) atomo di platino disperso sulla superficie catalitica (punto luminoso:atomo di platino). Credito:Korea Institute of Science and Technology (KIST)
Il team di ricerca della KIST-Hanyang University ha realizzato il catalizzatore a singolo atomo combinando atomi di platino e nanoparticelle di ossido di cerio (Ce). Ogni atomo di platino è disperso individualmente sulla superficie delle nanoparticelle di ossido di cerio, e il forte legame mantiene lo stato disperso degli atomi per un lungo periodo di tempo, anche ad alte temperature, che consente a tutti gli atomi di platino di essere coinvolti nella reazione. Ciò a sua volta rende possibile migliorare sostanzialmente la velocità della reazione dell'elettrodo riducendo al minimo la quantità di platino utilizzata.
Per la fabbricazione, una soluzione contenente ioni platino e cerio viene iniettata nell'elettrodo della SOFC, e i catalizzatori vengono sintetizzati mentre la cella a combustibile funziona ad alta temperatura. Poiché l'iniezione nell'elettrodo può essere eseguita facilmente senza alcuna attrezzatura speciale, il catalizzatore di nuova concezione può essere facilmente applicato ai processi di fabbricazione di celle a combustibile esistenti.
Il dottor Kyung-Joong Yoon del KIST ha detto:"Il catalizzatore sviluppato in questo studio può essere applicato a un'ampia varietà di celle a combustibile a ossido solido e dispositivi elettrochimici ad alta temperatura utilizzando un processo facile e semplice a basso costo, quindi si prevede di accelerare lo sviluppo di dispositivi ecologici per la generazione di energia e lo stoccaggio dell'energia di prossima generazione. Sulla base del fatto che il catalizzatore a singolo atomo può funzionare stabilmente anche a 700 gradi Celsius o più, i suoi campi di applicazione saranno notevolmente ampliati, comprese le reazioni termochimiche ad alta temperatura e le reazioni elettrochimiche ad alta temperatura".
