Un team di ricerca multi-istituzionale guidato da scienziati dei materiali del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha progettato un catalizzatore altamente attivo e durevole che non si basa sul costoso platino per stimolare la reazione chimica necessaria.

Il nuovo catalizzatore contiene cobalto inframmezzato da azoto e carbonio. Rispetto a un catalizzatore strutturato in modo simile a base di ferro, un altro promettente, sostituto del platino ben studiato, il team ha scoperto che il catalizzatore al cobalto ha ottenuto una reazione simile ma con una durata quattro volte superiore.

La ricerca del team, che mostra la promessa per le celle a combustibile nei trasporti, è stato pubblicato il 30 novembre numero 2020 di Catalisi della natura .

Alla ricerca di un sostituto per il costoso platino

Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico o PEM sono in genere previste per essere accoppiate con l'idrogeno per molteplici applicazioni in diversi settori, compreso il trasporto, alimentazione stazionaria e di riserva, lavorazione dei metalli, e altro ancora. Questi altamente efficienti, i dispositivi di conversione dell'energia pulita richiedono catalizzatori molto attivi per la reazione chimica:la reazione di riduzione dell'ossigeno, o la "sangue vitale" che fa funzionare in modo efficiente una cella a combustibile.

I metalli del gruppo del platino servono come materiale catalizzatore più produttivo per le celle a combustibile PEM, ma rappresentano circa la metà del costo delle celle a combustibile.

Quindi gli scienziati stanno studiando i metalli di transizione come il ferro come alternativa promettente al platino, ma hanno scoperto che si degradano rapidamente nell'ambiente acido delle celle a combustibile PEM.

entra cobalto, un metallo di transizione che è, rispetto al platino, economico e abbondante. Studi precedenti avevano dimostrato che il cobalto è molto meno attivo dei catalizzatori a base di ferro.

"Sapevamo che la configurazione del cobalto con azoto e carbonio era fondamentale per l'efficacia della reazione del catalizzatore e che la densità del sito attivo era di fondamentale importanza per le prestazioni, " ha detto lo scienziato dei materiali PNNL Yuyan Shao, che ha condotto lo studio. "Il nostro obiettivo era quello di migliorare davvero l'attività di reazione dei catalizzatori a base di cobalto".

Scherma negli atomi

Il team ha immobilizzato molecole a base di cobalto nei micropori delle strutture di imidazolato zeolitico, che servivano da recinzioni protettive per diminuire la mobilità degli atomi di cobalto e impedire loro di raggrupparsi insieme. Hanno quindi utilizzato la pirolisi ad alta temperatura per convertire gli atomi in siti cataliticamente attivi all'interno della struttura.

All'interno di questa struttura, hanno scoperto che la densità dei siti attivi aumentava significativamente, a sua volta aumentando l'attività di reazione. Questo, infatti, raggiunto la più alta attività nelle celle a combustibile segnalata per i non ferrosi, catalizzatori privi di metalli del gruppo del platino fino ad oggi.

Il team ha anche scoperto che il catalizzatore a base di cobalto è molto più durevole del catalizzatore a base di ferro sintetizzato utilizzando lo stesso approccio. Hanno scoperto, per la prima volta, differenze significative nella demetallazione, dove gli ioni metallici vengono lisciviati dal catalizzatore e quel catalizzatore perde quindi attività. Hanno anche scoperto che i radicali dell'ossigeno dal perossido di idrogeno, un sottoprodotto della riduzione dell'ossigeno nelle celle a combustibile, attaccare i catalizzatori e causare una perdita di prestazioni.

Alta attività, maggiore durata

"Alla fine, siamo stati in grado non solo di migliorare l'attività del catalizzatore a base di cobalto, ma abbiamo notevolmente migliorato la durata, " ha detto Shao. "La nostra ulteriore indagine ci ha portato a scoprire i meccanismi che tipicamente degradano questi tipi di catalizzatori".