Il veicolo elettrico Toyota Mirai 2019 vanta emissioni zero, grazie a una cella a combustibile che funziona a idrogeno anziché a benzina. Ma il Mirai ha appena lasciato la California, in parte perché gli elettrodi delle celle a combustibile di oggi sono realizzati in platino super costoso.

Ridurre il platino ridurrebbe anche i costi, permettendo a più auto elettriche di arrivare sul mercato.

Un nuovo metodo prende in prestito alcune idee da "Riccioli d'oro" - la giusta quantità - per valutare la quantità di metallo necessaria per gli elettrodi delle celle a combustibile. La tecnica utilizza le forze sulla superficie di un metallo per identificare lo spessore ideale dell'elettrodo.

"C'è esattamente la giusta quantità di metallo che darà agli elettrodi delle celle a combustibile le migliori proprietà, " ha detto Jeffrey Greeley, professore di ingegneria chimica alla Purdue. "Se sono troppo spessi o troppo sottili, la reazione principale per l'implementazione di una cella a combustibile non funziona altrettanto bene, quindi c'è una sorta di principio di Riccioli d'oro qui."

Lo studio, da pubblicare nel numero del 22 febbraio della rivista Scienza , è stato uno sforzo collaborativo tra la Johns Hopkins University, Purdue University e l'Università della California a Irvine.

I ricercatori hanno testato la loro teoria sul palladio, un metallo molto simile al platino.

"Stiamo essenzialmente usando la forza per mettere a punto le proprietà delle lamiere sottili che compongono gli elettrocatalizzatori, che fanno parte degli elettrodi delle celle a combustibile, " Greeley ha detto. "L'obiettivo finale è testare questo metodo su una varietà di metalli".

Le celle a combustibile convertono l'idrogeno, combinato con un po' di ossigeno, in elettricità attraverso una cosiddetta reazione di riduzione dell'ossigeno avviata da un elettrocatalizzatore. Trovare esattamente lo spessore giusto sollecita la superficie dell'elettrocatalizzatore e migliora il modo in cui esegue questa reazione.

I ricercatori in passato hanno provato a usare forze esterne per espandere o comprimere la superficie di un elettrocatalizzatore, ma così facendo si rischiava di rendere meno stabile l'elettrocatalizzatore.

Anziché, Il gruppo di Greeley ha previsto attraverso simulazioni al computer che la forza intrinseca sulla superficie di un elettrocatalizzatore di palladio potrebbe essere manipolata per ottenere le migliori proprietà possibili.

Secondo le simulazioni, un elettrocatalizzatore di cinque strati di spessore, ogni strato sottile come un atomo, sarebbe sufficiente per ottimizzare le prestazioni.

"Non combattere le forze, usarli, " disse Zhenhua Zeng, un ricercatore postdottorato alla Purdue in ingegneria chimica, e co-primo e co-autore corrispondente su questo articolo. "Questo è un po' come alcune strutture in architettura non hanno bisogno di travi o colonne esterne perché le forze di trazione e compressione sono distribuite ed equilibrate".

Gli esperimenti nel laboratorio di Chao Wang alla Johns Hopkins hanno confermato le previsioni della simulazione, trovando che il metodo può aumentare l'attività del catalizzatore da 10 a 50 volte, utilizzando il 90% in meno di metallo rispetto a quello attualmente utilizzato negli elettrodi delle celle a combustibile.

Questo perché la forza superficiale sugli elettrodi atomicamente sottili regola la deformazione, o distanza tra gli atomi, delle lamiere, alterandone le proprietà catalitiche.

"Regolando lo spessore del materiale, siamo stati in grado di creare più tensione. Ciò significa che hai più libertà di accelerare la reazione che desideri sulla superficie del materiale, "Ha detto Wang.