Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM) sono una tecnologia di stoccaggio dell'energia che contribuirà a ridurre l'impatto ambientale dei trasporti. Queste celle a combustibile utilizzano una reazione chimica nota come riduzione dell'ossigeno. Questa reazione necessita di un catalizzatore a basso costo per applicazioni commerciali diffuse. Il carbonio drogato con azoto è uno di questi catalizzatori, ma i dettagli chimici su come funziona il doping con azoto sono piuttosto controversi. Tale conoscenza è importante per migliorare la funzione delle celle a combustibile PEM nelle tecnologie future.

In uno studio recentemente pubblicato su Angewandte Chemie Edizione Internazionale, i ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno riportato dettagli chimici per ottimizzare la reazione di riduzione dell'ossigeno nelle celle a combustibile PEM in condizioni acide. Questa configurazione aiuta il catalizzatore al carbonio ad assorbire l'ossigeno in modo da consentire il funzionamento della cella a combustibile.

L'azoto può adottare varie configurazioni di legame, come piridinico, in catalizzatori di carbonio drogati con azoto. Per anni, i ricercatori hanno cercato di determinare quali configurazioni di legame sono la fonte dell'attività elettrolitica nelle celle a combustibile PEM. I risultati di tali studi possono essere poco chiari a meno che i meccanismi di reazione non siano chiariti con legame controllato e orientamento cristallografico dell'atomo di azoto sui catalizzatori.

"Abbiamo depositato sette molecole di azoto su un catalizzatore nerofumo paracristallino per creare catalizzatori modello con strutture omogenee, ", afferma l'autore principale, il professor Kotaro Takeyasu. "Abbiamo scoperto che 1, 10-fenantrolina, con due atomi di azoto piridinico ai bordi della poltrona del catalizzatore, ha avuto la più alta attività in riferimento alla densità di corrente."

L'acido solforico ha completamente acidificato gli atomi di azoto nel catalizzatore. Applicando una tensione appropriata in condizioni di saturazione di ossigeno, gli atomi di azoto protonato nel catalizzatore sono stati ridotti. Ciò era attribuibile al simultaneo assorbimento di ossigeno, perché non vi era alcuna riduzione in condizioni di saturazione di azoto.

"I calcoli della teoria del funzionale della densità indicano anche che l'adsorbimento di ossigeno promuove la riduzione degli atomi di azoto completamente protonati, " spiega l'autore senior, Professor Junji Nakamura. "Così, l'ossigeno viene assorbito dal catalizzatore e allo stesso tempo, gli atomi di azoto vengono ridotti per ulteriori cicli catalitici."

Le attuali celle a combustibile PEM utilizzano catalizzatori al platino. Poiché il platino è un metallo raro, non è un'opzione realistica per applicazioni commerciali a lungo termine. Così, i catalizzatori al platino non consentiranno alle celle a combustibile PEM di contribuire a un'economia a basse emissioni di carbonio. I risultati qui descritti aiuteranno i ricercatori a migliorare le prestazioni dei catalizzatori a base di carbonio per le celle a combustibile PEM ea migliorare la sostenibilità dei trasporti.