Imaging STEM su scala atomica e analisi spettroscopica EELS di Ni@CNx core-shell elettrocatalizzatori. Credito:Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2022). DOI:10.1073/pnas.2119883119
Un anodo di nichel rivestito di carbonio e drogato con azoto può catalizzare una reazione essenziale nelle celle a combustibile a idrogeno a una frazione del costo dei metalli preziosi attualmente utilizzati, hanno scoperto i ricercatori della Cornell University.
La nuova scoperta potrebbe accelerare l'uso diffuso delle celle a combustibile a idrogeno, che sono molto promettenti come fonti di energia pulita ed efficiente per veicoli e altre applicazioni.
È una di una serie di scoperte per il laboratorio Héctor D. Abruña nella continua ricerca di catalizzatori attivi, economici e durevoli da utilizzare nelle celle a combustibile alcaline.
"Questa scoperta fa progressi verso l'utilizzo di celle a combustibile a idrogeno efficienti e pulite al posto dei combustibili fossili", ha affermato Abruña, professore Emile M. Chamot presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica del College of Arts and Sciences.
I risultati sono stati pubblicati il 21 marzo in "Una cella a combustibile alcalina completamente priva di metalli preziosi con prestazioni migliorate utilizzando un anodo di nichel rivestito di carbonio", negli Proceedings of the National Academy of Sciences .
Metalli preziosi costosi, come il platino, sono attualmente necessari nelle celle a combustibile a idrogeno per catalizzare in modo efficiente le reazioni che impiegano per produrre elettricità. Sebbene le celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica alcalina (APEMFC) consentano l'uso di elettrocatalizzatori di metalli non preziosi, mancano delle prestazioni e della durata necessarie per sostituire i sistemi a base di metalli preziosi.
Una cella a combustibile produce elettricità attraverso la reazione di ossidazione dell'idrogeno (HOR) e una reazione di riduzione dell'ossigeno (OOR). Il platino, in particolare, è un catalizzatore modello per entrambe le reazioni perché le catalizza in modo efficiente ed è durevole nell'ambiente acido di una cella a combustibile PEM, ha affermato Abruña.
Ma che dire di altri materiali?
I ricercatori hanno scritto che recenti esperimenti con elettrocatalizzatori HOR di metalli non preziosi miravano a superare due sfide principali:bassa attività intrinseca da un'energia di legame dell'idrogeno troppo forte e scarsa durabilità dovuta alla rapida passivazione dalla formazione di ossido di metallo.
Per superare queste sfide, i ricercatori hanno progettato un elettrocatalizzatore a base di nichel con un guscio a 2 nanometri in carbonio drogato con azoto.
La loro cella a combustibile a idrogeno ha un catalizzatore anodico (dove l'idrogeno viene ossidato) costituito da un nucleo di nichel solido circondato dal guscio di carbonio. Quando accoppiato con un catodo di cobalto-manganese (dove l'ossigeno è ridotto), la risultante cella a combustibile a idrogeno completamente priva di metalli preziosi produce più di 200 milliwatt per centimetro quadrato.
La presenza di specie di ossido di nichel sulla superficie dell'elettrodo di nichel rallenta drasticamente la reazione di ossidazione dell'idrogeno, ha detto Abruña. Il rivestimento in carbonio drogato con azoto funge da strato protettivo e migliora la cinetica HOR, rendendo la reazione più rapida e molto più efficiente.
Inoltre, la presenza del rivestimento in grafene sull'elettrodo di nichel impedisce la formazione di ossidi di nichel, dando luogo a elettrodi con una durata notevolmente migliorata. Questi elettrodi sono anche molto più tolleranti al monossido di carbonio, che avvelena rapidamente il platino.
"L'uso di questo nuovo anodo abbasserebbe drasticamente i prezzi consentendo l'applicazione di celle a combustibile alcaline in un'ampia varietà di aree", ha affermato Abruña.
I coautori includono Francis DiSalvo, il professore emerito di chimica John A. Newman; Yao Yang, dottorato di ricerca '21; David Muller, il Professore di Ingegneria Samuel B. Eckert presso il College of Engineering e il co-direttore del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, nonché collaboratori dell'Università di Wuhan nel laboratorio di Lin Zhuang e dell'Università del Wisconsin, Madison con Manos Mavrikakis.
A febbraio, Abruña e colleghi, tra cui DiSalvo, hanno scoperto che un catalizzatore di nitruro di cobalto è efficiente quasi quanto il platino nel catalizzare la reazione di riduzione dell'ossigeno. + Esplora ulteriormente
