Per rendere le celle a combustibile più accessibili, i ricercatori hanno trascorso decenni alla ricerca di catalizzatori a basso costo per sostituire il platino e altri metalli costosi.
Ciò include la sperimentazione di diverse combinazioni di tre materiali abbondanti e relativamente economici:ferro, azoto e carbonio. I risultati finora non sono stati uniformi. I ricercatori possono rendere il catalizzatore ferro-azoto-carbonio durevole o efficiente, ma non entrambi.
Un nuovo studio condotto dall’Università di Buffalo potrebbe offrire una soluzione. Nella rivista Nature Catalysis , i ricercatori riferiscono come l'aggiunta di idrogeno al processo di fabbricazione crei un catalizzatore forte ed efficace che si avvicina alle prestazioni del platino.
Questo progresso suggerisce un passo importante per aiutare la tecnologia delle celle a combustibile a raggiungere il suo potenziale come fornitore di elettricità senza inquinamento per automobili, camion, treni, aeroplani e altri veicoli pesanti.
"Per anni, la comunità scientifica ha lottato per bilanciare questo compromesso. Possiamo realizzare prodotti a basso costo che siano efficaci ma si degradano troppo facilmente. Oppure li abbiamo resi molto stabili, ma le loro prestazioni non potrebbero eguagliare il platino. Con questo lavoro, abbiamo fatto un passo avanti verso la risoluzione di questo problema", afferma l'autore corrispondente dello studio, Gang Wu, Ph.D., professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate.
Il lavoro si basa su una precedente ricerca condotta da Wu che descriveva catalizzatori ferro-azoto-carbonio che, sebbene durevoli, faticavano ad accelerare importanti reazioni chimiche all'interno delle celle a combustibile.
Il nuovo studio ha affrontato questa limitazione durante un processo di fabbricazione chiamato pirolisi, che prevede l'utilizzo di temperature estremamente elevate per combinare i materiali.
Durante la pirolisi, i ricercatori hanno legato quattro atomi di azoto al ferro in una camera ad alta temperatura. Hanno quindi incorporato questo materiale in alcuni strati di grafene, che è una forma di carbonio resistente, leggera e flessibile.
Di solito questo processo avviene all'interno di una camera contenente un gas inerte, come l'argon. Tuttavia, questa volta i ricercatori hanno inserito idrogeno nella camera per creare una miscela composta al 90% di argon e al 10% di idrogeno.
Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di controllare con maggiore precisione la composizione del catalizzatore. Nello specifico, sono stati in grado di collocare due diversi composti ferro-azoto-carbonio (uno conteneva 10 atomi di carbonio, l'altro conteneva 12 atomi di carbonio) in posizioni che supportano durabilità ed efficienza.
Il catalizzatore risultante ha raggiunto le prestazioni iniziali delle celle a combustibile ben oltre l'obiettivo del Dipartimento dell'Energia per il 2025. Si è dimostrato anche più durevole della maggior parte dei catalizzatori ferro-azoto-carbonio, avvicinandosi a un tipico catodo a basso contenuto di platino utilizzato per le celle a combustibile.
Ulteriori informazioni: La regolazione dell'atmosfera di attivazione termica rompe il compromesso attività-stabilità dei catalizzatori di celle a combustibile per la riduzione dell'ossigeno Fe-N-C. Catalisi della natura (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01062-8
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito dall'Università di Buffalo
