Un ostacolo che i ricercatori devono affrontare è che l’attuale tecnologia delle celle a combustibile si basa sull’uso di costosi catalizzatori metallici come il platino per convertire l’idrogeno in energia; tuttavia, un team del College and Graduate School of Arts &Sciences dell'Università della Virginia ha identificato una molecola organica che potrebbe essere un sostituto efficace e meno costoso dei catalizzatori metallici convenzionali.

Le celle a combustibile che rendono possibili i veicoli elettrici e i generatori industriali e residenziali e che sono necessarie per immagazzinare l’energia generata dal vento o dal sole utilizzano metalli come il platino per innescare la reazione chimica che divide le fonti di carburante come il gas idrogeno in protoni ed elettroni che vengono poi sfruttati come elettricità.

Fino ad ora, i sostituti organici dei catalizzatori a base di metalli rari non erano considerati pratici perché il processo di catalisi li fa scomporre in componenti che non sono più utili. In un articolo pubblicato sul Journal of American Chemical Society , tuttavia, i professori associati di chimica Charles Machan e Michael Hilinski, insieme al Ph.D. gli studenti Emma Cook e Anna Davis, identificano una molecola organica composta da carbonio, idrogeno, azoto e fluoro che ha il potenziale per essere un sostituto pratico.

La molecola non solo può avviare la riduzione dell'ossigeno, la reazione che avviene all'interno della cella a combustibile, ha affermato Machan; può continuare a reagire con i prodotti della reazione e poi ritornare al suo stato originale.

"Queste molecole sono stabili in condizioni in cui la maggior parte delle molecole si degrada e continuano a raggiungere un'attività che corrisponde al livello dei catalizzatori dei metalli di transizione", ha affermato Machan.

La scoperta rappresenta un significativo passo avanti nella ricerca di celle a combustibile efficienti che utilizzino materiali più sostenibili e meno costosi da produrre e potrebbe portare allo sviluppo della prossima generazione di celle a combustibile entro i prossimi cinque o dieci anni, ma il team i risultati sono solo l'inizio.

"Questa stessa molecola potrebbe non riuscire a trasformarsi in una cella a combustibile", ha detto Machan. "Ciò che dice questa scoperta è che possono esserci materiali catalitici a base di carbonio e, se li modifichi con determinati gruppi chimici, puoi sperare di trasformarli in ottimi catalizzatori per la reazione di riduzione dell'ossigeno. L'obiettivo finale è integrare le proprietà che rendere questa molecola così stabile in un materiale sfuso da soppiantare l'uso del platino."

Hilinski, il cui gruppo di ricerca si concentra sulla chimica organica, ha sottolineato l'importanza della natura interdisciplinare del gruppo di ricerca. "Questa molecola che usiamo come catalizzatore ha una storia nel mio laboratorio, ma abbiamo sempre studiato il suo utilizzo nelle reazioni chimiche eseguite su molecole molto più grandi, contenenti carbonio, come gli ingredienti attivi nei medicinali", ha detto Hilinski.

"Senza l'esperienza di Charlie Machan, non credo che saremmo riusciti a stabilire un collegamento con la chimica delle celle a combustibile."

La scoperta potrebbe avere implicazioni anche per la produzione industriale di perossido di idrogeno, un prodotto domestico utilizzato anche nella produzione di carta e nel trattamento delle acque reflue.

"Il processo di produzione del perossido di idrogeno è dannoso per l'ambiente e richiede molta energia", ha affermato Machan. "È necessario il reforming del metano con vapore ad alta temperatura per rilasciare l'idrogeno utilizzato per generarlo."

Le scoperte del suo team potrebbero anche migliorare la componente catalitica di tale processo, che potrebbe avere impatti positivi sia sull'industria che sull'ambiente, nonché sulla tecnologia di trattamento delle acque.

Hilinski ha inoltre sottolineato che la scoperta e la collaborazione che ha portato ad essa potrebbero avere impatti che vanno ben oltre lo stoccaggio dell’energia. "Nel quadro generale, una delle cose più interessanti di questo studio è che elettrizzando il catalizzatore, abbiamo cambiato il modo in cui reagisce. Questo è qualcosa di inaspettato che potrebbe essere utile anche per la sintesi di farmaci, che il mio gruppo di ricerca è ansioso di realizzare." esplorare."

Machan, il cui gruppo di ricerca si concentra sull'elettrochimica molecolare, attribuisce la scoperta anche alla natura interdisciplinare del gruppo di ricerca.

"Senza il know-how del gruppo di Mike Hilinski nel creare molecole organiche stabili che possono subire il tipo di reazioni necessarie, il lavoro non sarebbe stato possibile. Questa molecola organica unica ci ha permesso di fare qualcosa che normalmente solo i metalli di transizione possono fare," ha detto Machan.