Le celle a combustibile, grazie alla loro elevata efficienza e alle caratteristiche rispettose dell'ambiente nel processo di generazione di elettricità, stanno guadagnando popolarità per la produzione di veicoli a celle a combustibile (FCV), come automobili, carrelli elevatori, autobus e aeroplani. Tuttavia, la natura costosa della produzione di catalizzatori per celle a combustibile preclude la produzione di massa e l'applicazione su larga scala degli FCV.

I catalizzatori per celle a combustibile sono solitamente realizzati in platino (Pt) o leghe di Pt con metalli di transizione rivestiti in modo sottile sui supporti di carbonio poroso. Il platino è un materiale catalitico ideale in quanto può resistere alle condizioni acide e aumentare la velocità delle reazioni chimiche in modo efficiente. Tuttavia, è costoso e ha riserve di risorse insufficienti. Pertanto, è fondamentale sviluppare e selezionare nuovi catalizzatori con una bassa quantità di Pt e un'elevata attività catalitica per la commercializzazione delle celle a combustibile.

In una Scienza documento pubblicato il 22 ottobre, i ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) hanno riportato un metodo di ancoraggio dello zolfo di nanoparticelle intermetalliche di Pt di piccole dimensioni ad alta temperatura, sintetizzate con successo (i -NP) catalizzatori con carico di Pt ultrabasso ed elevata attività di massa. Hanno anche creato librerie i-NP, inclusi 46 tipi di nanoparticelle (NP) Pt per lo screening di materiali per elettrodi economici e durevoli, nonché per esplorare sistematicamente le relazioni struttura-attività degli i-NP.

Gli I-NP hanno attirato un'ampia attenzione a causa delle loro proprietà ordinate atomicamente uniche e delle eccellenti prestazioni catalitiche in molte reazioni chimiche. Tuttavia, l'inevitabile sinterizzazione del metallo ad alta temperatura non è desiderata durante la sintesi di i-NP, poiché porterà a cristalliti più grandi. Pertanto, si traduce in una diminuzione della superficie specifica e in una minore attività catalitica dei materiali, e alla fine riduce il tasso di utilizzo del Pt, aumentando quindi notevolmente il costo delle celle a combustibile.

Il team di ricerca, guidato da Liang Haiwei, ha utilizzato ingegnosamente una forte interazione chimica Pt-zolfo. Hanno preparato intermetallici Pt su supporti di carbonio drogato con zolfo (SC) al fine di sopprimere la sinterizzazione delle NP ad alte temperature e sono stati in grado di ottenere i-NP ordinati atomicamente con una dimensione media di <5 nm. I supporti SC hanno mostrato un'eccellente capacità anti-sinterizzazione ei ricercatori hanno ottenuto Pt NP con il diametro medio ancora <5 nm dopo la ricottura ad alte temperature fino a 1000 °C. Tuttavia, è stata osservata una grave sinterizzazione Pt dopo lo stesso processo di ricottura su supporti commerciali di nerofumo.

Per sfruttare la proprietà anti-sinterizzazione, i ricercatori hanno sintetizzato 46 tipi di i-NP di piccole dimensioni basati su Pt su supporti SC e stabilito librerie i-NP. Sono state misurate le caratterizzazioni spettrali ei risultati hanno verificato le forti interazioni chimiche dei legami Pt-S. Inoltre, i risultati della diffrazione dei raggi X (XRD) hanno mostrato un alto grado di ordinamento e piccole dimensioni dei catalizzatori i-NP nelle librerie, coerenti con l'analisi statistica della microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM) osservazioni.

"Sulla base delle librerie i-NP, possiamo studiare sistematicamente la relazione tra struttura e prestazioni dei catalizzatori", ha affermato Liang, "e campioni sufficienti ci hanno aiutato a escludere catalizzatori efficienti che avrebbero dovuto ridurre ampiamente il costo delle celle a combustibile". I ricercatori hanno esaminato le i-NP e le hanno applicate per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC). Questi catalizzatori hanno mostrato eccellenti prestazioni elettrocatalitiche per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR). Soprattutto in H₂ -air PEMFC, sebbene il carico Pt degli i-NP fosse 11,5 volte inferiore a quello del catodo Pt/C, i catodi dei catalizzatori i-NP hanno mostrato capacità simili al catodo Pt/C.

Questo lavoro fornisce un modo universale per la sintesi di catalizzatori in lega di Pt utilizzati nelle celle a combustibile a idrogeno. Questo metodo fa sperare di ridurre la quantità di Pt utilizzata, diminuendo così il costo delle celle a combustibile. "Progettando le strutture porose e le funzionalità superficiali dei supporti in carbonio, l'efficienza delle celle a combustibile può essere ulteriormente migliorata, accelerando così il loro trasferimento dal laboratorio al pubblico", ha affermato Liang.