Credito:Alyssa Stone/Northeastern University
Le celle a combustibile a idrogeno sono molto promettenti come fonti di energia sostenibili ed ecologiche per alimentare il trasporto via terra, aria e mare. Ma i catalizzatori tradizionali utilizzati per guidare le reazioni chimiche nelle celle a combustibile a idrogeno sono troppo costosi e inefficienti per giustificare un allontanamento commerciale su larga scala dalle tecnologie esistenti.
In una nuova ricerca interdisciplinare pubblicata su ACS Catalysis , gli scienziati del nordest hanno identificato una nuova classe di catalizzatori che, a causa della loro particolare natura non di metalli nobili, potrebbero sostituire lo standard a base di platino che ha impedito all'idrogeno di avanzare nel settore dei combustibili.
"Stiamo passando rapidamente ai mezzi di trasporto elettrici e, a mio avviso, le batterie sono solo una fase di transizione", afferma Sanjeev Mukerjee, un illustre professore di chimica e biologia chimica alla Northeastern, coautore dello studio. "Non è la risposta definitiva alla sostituzione dei combustibili fossili."
È nell'idrogeno, o "trasportatori di idrogeno", molecole più grandi di cui l'idrogeno è solo una parte, che sta la risposta, dice. L'elemento più abbondante nell'universo, l'idrogeno funge da vettore energetico e può essere separato dall'acqua, dai combustibili fossili o dalla biomassa e sfruttato come combustibile. Le celle a combustibile a idrogeno convertono l'idrogeno in elettricità; e a differenza del motore a combustione interna, che produce sottoprodotti chimici tossici e cancerogeni, le celle a combustibile a idrogeno producono solo acqua, vera acqua potabile, come risultato della reazione chimica.
"Il più grande collo di bottiglia in questo momento è uno:l'infrastruttura per il carburante, ovvero l'idrogeno o un vettore di idrogeno; e il numero due è l'alto costo dei catalizzatori, perché l'attuale stato dell'arte richiede metalli nobili", afferma Mukerjee . "Quindi ci sono due sforzi per ridurre il carico di metalli nobili e trovare catalizzatori più sostenibili utilizzando elementi che sono molto abbondanti sulla terra."
I catalizzatori vengono utilizzati nelle celle a combustibile a idrogeno per accelerare il processo di conversione dell'energia, chiamato reazione di riduzione dell'ossigeno. Un catalizzatore sostenibile è uno che è fatto di "materiali abbondanti di terra" e uno che, quando l'ossigeno viene introdotto nella reazione chimica, non produce carbonio, afferma Arun Bansil, illustre professore universitario di fisica al Northeastern e coautore del studia.
Per quanto riguarda, i ricercatori del nord-est hanno esaminato una classe specifica di catalizzatori, in particolare i cosiddetti "catalizzatori di ferro coordinati con azoto", come candidati potenzialmente sostenibili. Un catalizzatore di ferro coordinato con azoto è definito molecolarmente come un atomo di ferro circondato da quattro atomi di azoto. Gli atomi di azoto sono chiamati "ligandi" o molecole che si legano a un atomo di metallo centrale per formare un complesso più grande.
"Questa è una struttura ben nota", dice Bansil. "Quello che abbiamo mostrato in modo molto conclusivo in questo articolo è che aggiungendo un quinto ligando - cioè quattro azoti più un altro - che può portare a un elettrocatalizzatore molto più stabile e robusto, aprendo così un nuovo paradigma o percorso per il razionale progettazione di questa classe di catalizzatori per applicazioni per celle a combustibile."
Bansil afferma che il quinto ligando migliora anche la durata del catalizzatore. The reason, he says, is "it appears that this fifth ligand manages to keep the iron in the plane of the iron-nitrogen when oxygen is added into this structure."
If the fifth ligand is not there, Bansil says, the iron is dislodged from the plane of the iron-nitrogen in many of these complexes when the oxygen is put in, thereby making the catalyst "less durable."
Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.
"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."
Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.
The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.
"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Esplora ulteriormente
