In particolare nei sistemi elettrochimici (come le celle a combustibile con membrana a scambio protonico, PEMFC, e l'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico, PEMWE), i materiali di carbonio svolgono un ruolo vitale perché possono fungere da trasportatori conduttivi per componenti metallici attivi.

Tuttavia, nella letteratura in rapida crescita nel campo dell’elettrocatalisi, la maggior parte degli studi si concentra tipicamente su componenti funzionali metallici o di ossidi metallici supportati da carbonio commerciale. Il ruolo dei materiali di carbonio come supporti e il loro impatto sulle prestazioni catalitiche non ha ricevuto sufficiente attenzione, giustificando maggiori sforzi di ricerca sia da parte del mondo accademico che dell'industria.

Questa recensione, pubblicata sulla rivista Science China Chemistry , è stato guidato dal Prof. Wei Lin (SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing) e dal Prof. Lichen Liu (Dipartimento di Chimica, Università di Tsinghua).

Il Prof. Wei Lin e il Prof. Lichen Liu hanno tentato di affrontare l'argomento da una prospettiva industriale, discutendo i parametri chiave che possono essere misurati direttamente o studiati negli esperimenti per rivelare la relazione sintesi-struttura-prestazioni.

Il documento introduce e spiega sistematicamente l'applicazione dei materiali portanti del carbonio nel campo elettrochimico in condizioni rilevanti a livello industriale e le sfide esistenti e le direzioni future di innovazione da sei aspetti:conduttività elettrochimica, composizione chimica, stabilità in condizioni industriali, trasferimento di massa, sintesi di massa e comprensione approfondita.

Infine, sulla base delle conoscenze e dell'esperienza accumulate nelle attività di ricerca e sviluppo industriale, gli autori propongono i seguenti standard critici che i supporti di carbonio nei dispositivi elettrocatalitici pratici devono soddisfare:(1) area superficiale specifica> 60 m²/g; (2) resistività elettrica <2,5 Ω·m; (3) dimensione delle particelle di carbonio primario <50 nm; (4) riciclabilità oltre 5000 cicli (a 1,0-1,5 V); (5) costo inferiore a $ 4000/tonnellata.

Nello specifico, gli autori suggeriscono anche una dimensione delle particelle di carbonio primario <50 nm, poiché particelle più piccole possono migliorare la conduttività e la viscosità, migliorare la resistenza agli agenti atmosferici, fornire un migliore rinforzo e aumentare la resistenza alla trazione e all'abrasione. Inoltre, la dimensione delle particelle più piccole è correlata a un'area superficiale specifica maggiore, facilitando il caricamento denso di platino e la costruzione di sottili strati di catalizzatore.

Questi indicatori chiave possono servire come parametri guida per lo sviluppo di vettori di carbonio avanzati per i dispositivi PEMFC e PEMWE. Il primo autore dell'articolo è il dottor Xue Yang del Sinopec Research Institute of Petroleum Processing.