La lega avvolta in grafene degli autori ha prodotto risultati straordinari:75 volte più attività catalitica65% di potenza in piùcirca il 20% in più di attività catalitica alla fine prevista della vita della cella a combustibile circa il 35% in meno di perdita di potenza dopo il test che simula da 6.000 a 7.000 ore di utilizzo, superando per la prima volta l'obiettivo delle 5.000 ore. Credito:Huang Group UCLA
Per quanto importante sia stato il motore a combustione interna per il progresso della società, è anche un importante contributo all'inquinamento che danneggia la salute umana e alle emissioni di carbonio che aiutano a guidare la crisi climatica. Quasi il 30% delle emissioni di carbonio degli Stati Uniti proviene dai trasporti e il 95% dei trasporti utilizza combustibili fossili.
Un elemento di un potenziale rimedio sarebbe alimentare i veicoli con celle a combustibile a idrogeno, che emettono solo vapore acqueo. Tuttavia, questa soluzione di sostenibilità ha un aspetto ironico e intrinseco che è insostenibile:i catalizzatori necessari per trarre energia dall'idrogeno coinvolgono metalli rari e costosi come il platino. Nelle quantità utilizzate per la tecnologia odierna, l'adozione diffusa richiederebbe quantità di questi metalli superiori a quelle che l'umanità può procurarsi.
Un recente studio su Natura Nanotecnologia guidato da un professore dell'UCLA può rappresentare una svolta. I ricercatori hanno riferito di un approccio che ha consentito loro di raggiungere, e battere, obiettivi ambiziosi per le elevate prestazioni del catalizzatore, l'elevata stabilità e il basso uso di platino che erano stati fissati dal Dipartimento dell'Energia. La loro tecnologia da record utilizzava minuscoli cristalli di una lega platino-cobalto, ciascuno incorporato in una nanopocket in grafene, descritto come un materiale bidimensionale perché comprende uno strato di carbonio spesso un atomo.
Rispetto ai severi standard DOE per i catalizzatori, finora non soddisfatti, la lega avvolta in grafene degli autori ha prodotto risultati straordinari:
"Questo non è mai stato fatto prima", ha affermato l'autore corrispondente Yu Huang, professore e presidente del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso la Samueli School of Engineering dell'UCLA e membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA. "Questa scoperta ha comportato una certa fortuna. Sapevamo di essere su qualcosa che avrebbe potuto rendere stabili le particelle più piccole, ma non ci aspettavamo che funzionasse così bene."
Oggi, metà della fornitura globale totale di platino e metalli simili viene utilizzata per i convertitori catalitici nei veicoli alimentati a combustibili fossili, un componente che rende le loro emissioni meno nocive. Sono necessari da 2 a 8 grammi di platino per veicolo. In confronto, l'attuale tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno utilizza circa 36 grammi per veicolo.
Al minor carico di platino testato da Huang e dal suo team, ogni veicolo alimentato a idrogeno richiederebbe solo 6,8 grammi di platino.
Quindi, come hanno fatto i ricercatori a ottenere più potenza da meno platino? Hanno rotto il catalizzatore a base di platino in particelle lunghe in media 3 nanometri. Un nanometro è un miliardesimo di metro e le nanoparticelle erano così piccole che ci sarebbero volute più di 30.000 posate end-to-end per coprire lo spessore di un singolo foglio di carta. Particelle più piccole significano più superficie e più superficie significa più spazio in cui può verificarsi l'attività catalitica.
C'è un problema, tuttavia, che ha ostacolato i precedenti tentativi di ottenere prestazioni migliori andando in piccolo con i catalizzatori a celle a combustibile a idrogeno. Da sole, le particelle più piccole sono anche molto meno durevoli, perché tendono a staccarsi da una superficie o ad accumularsi in particelle più grandi.
Huang e i suoi colleghi hanno affrontato questa limitazione blindando le loro particelle di catalizzatore nel materiale 2D grafene. Rispetto al carbonio sfuso come si vede comunemente nel carbone o nella mina, questi sottili strati di carbonio hanno capacità sorprendenti, conducono elettricità e calore in modo efficiente e mostrano una resistenza 100 volte superiore a quella dell'acciaio di spessore simile.
La loro lega platino-cobalto è stata ridotta in particelle. Prima di essere integrate in una cella a combustibile, le particelle erano circondate da nanotasche di grafene, che fungevano da una sorta di ancoraggio per impedire alle particelle di migrare, necessarie per il livello di durabilità necessario nei veicoli commerciali. Allo stesso tempo, il grafene ha consentito uno spazio minuscolo, di circa 1 nanometro, attorno a ciascuna nanoparticella di catalizzatore, il che significava che potevano verificarsi reazioni elettrochimiche chiave.
"È una specie di intuitivo", ha detto Huang. "Se metti un tappo sulla particella che permette alla reazione di continuare ma confina la particella in quel punto, risolverai il problema della durabilità che è comunque molto difficile da ottenere su scala così piccola."
Quest'ultimo progresso segue un recente studio collaborativo guidato da Huang che ha prodotto un modello per prevedere l'attività catalitica e la durata di una lega a base di platino che può essere utilizzata per guidare la progettazione di catalizzatori, il primo del suo genere. Lei e il suo team stanno lavorando per tradurre i loro risultati sperimentali in una tecnologia pratica che può essere immessa sul mercato e, si spera, aggiungere agli sforzi di energia verde e sostenibilità. + Esplora ulteriormente
