Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico generano energia elettrica scomponendo l'idrogeno molecolare in nanoparticelle di platino finemente disperse sulla superficie di una membrana conduttrice di protoni. Contemporaneamente, l'ossigeno viene ridotto al catodo, provocando la formazione di acqua. A densità di corrente elevate, la riduzione dell’ossigeno è spesso limitata dal trasporto di protoni attraverso la membrana. Non è possibile utilizzare membrane più sottili, poiché ciò le renderebbe suscettibili alla degradazione.
Un approccio alternativo promettente prevede la fornitura diretta di protoni al catodo, aggirando così le limitazioni del trasporto di massa attraverso la membrana. Ciò può essere ottenuto fornendo un ambiente acido sul catodo, il cosiddetto doping acido, migliorando così le prestazioni delle celle a combustibile. Qui l’elettrodo e lo ionomero – un polimero che garantisce la conduttività protonica – sono acidi, mentre l’elettrolita rimane alcalino.
Un ruolo importante è svolto dagli ossidi superficiali
I ricercatori del Laboratorio per la diffusione e l'imaging di neutroni e del Laboratorio per le interfacce elettrochimiche del PSI e dell'Helmholtz-Zentrum Hereon sono ora riusciti a identificare e caratterizzare i processi che avvengono sul catodo durante questo cosiddetto doping acido.
Per gli esperimenti i ricercatori hanno utilizzato due diversi allestimenti:da un lato, esperimenti modello in una cella elettrochimica appositamente progettata hanno permesso loro di eseguire esperimenti di spettroscopia fotoelettronica a raggi X sulla linea di luce della Swiss Light Source SLS al PSI. D'altra parte, hanno utilizzato le misurazioni dell'impedenza elettrochimica operando in un banco di prova per celle a combustibile.
La combinazione dei risultati sperimentali con i modelli teorici sviluppati presso l'Università di Vienna (Austria) ha permesso ai ricercatori di identificare e descrivere in dettaglio i meccanismi sottostanti.
Ruolo chiave degli ossidi superficiali
Gli scienziati sono stati in grado di visualizzare e analizzare chimicamente il catodo in condizioni realistiche di cella a combustibile, cioè durante la reazione elettrochimica di riduzione dell'ossigeno. Per la prima volta sono stati in grado di mostrare come viene modificata la superficie del catodo in un ambiente acido. Nello specifico, sono stati in grado di dimostrare che i protoni dell'elettrolita acido reagiscono con il ferro del catodo per formare ossidi di ferro:questi ossidi di ferro reagiscono poi ulteriormente con le molecole ionomeriche, migliorando la conduttività protonica del catodo e quindi le prestazioni complessive del combustibile. cella.
"Man mano che l'ossido di ferro si forma sulla superficie del catodo, le molecole di ionomero possono ancorarsi meglio alla superficie e sono in migliore contatto con la superficie del ferro. Sono quindi in grado di trasportare i protoni più facilmente", spiega il ricercatore del PSI e primo autore di lo studio, Thomas Justus Schmidt.
L'esatta comprensione di questi complessi meccanismi può fornire importanti spunti per l'ulteriore sviluppo e ottimizzazione delle celle a combustibile, in particolare delle celle a combustibile a bassa temperatura altamente efficienti per il settore della mobilità e le applicazioni stazionarie.
