1. Elettrocatalizzatori:
- Catalizzatori a base di platino: Il platino (Pt) è l'elettrocatalizzatore più comunemente utilizzato per i DEFC grazie alla sua elevata attività sia per le reazioni di ossidazione dell'etanolo che per quelle di riduzione dell'ossigeno. Tuttavia, il Pt è costoso e suscettibile all’avvelenamento da impurità presenti nell’etanolo. Per affrontare queste sfide, i ricercatori hanno sviluppato catalizzatori di leghe a base di Pt, come le leghe Pt-Ru, Pt-Sn e Pt-Ni. Queste leghe mostrano una migliore attività e tolleranza all'etanolo rispetto al Pt puro.
- Catalizzatori di metalli non preziosi: Per ridurre i costi e mitigare la scarsità del platino, sono stati dedicati sforzi significativi allo sviluppo di catalizzatori di metalli non preziosi. I materiali a base di metalli di transizione, tra cui nichel (Ni), cobalto (Co), ferro (Fe) e i loro composti, hanno mostrato attività promettenti per l’ossidazione dell’etanolo. Questi catalizzatori sono più resistenti all'avvelenamento da etanolo e offrono alternative economicamente vantaggiose ai catalizzatori a base di Pt.
2. Membrane a scambio protonico (PEM):
- Nazione: Nafion è un PEM ampiamente utilizzato nei DEFC grazie alla sua buona conduttività protonica e stabilità chimica. Tuttavia, Nafion soffre di un’elevata permeabilità al metanolo, che può portare a perdite di efficienza. Per superare questa limitazione, i ricercatori hanno sviluppato PEM alternativi basati su poliimmidi solfonate, polibenzimidazoli e materiali compositi. Queste membrane presentano un ridotto crossover del metanolo e una migliore conduttività protonica.
3. Membrane a scambio anionico (AEM):
- Membrane a scambio di idrossido (HEM): Gli AEM consentono l'uso diretto di elettroliti alcalini nei DEFC, offrendo numerosi vantaggi come una cinetica di reazione più rapida, una migliore tolleranza all'etanolo e un ridotto avvelenamento del catalizzatore. Gli HEM basati su polimeri funzionalizzati con ammonio quaternario hanno mostrato prestazioni promettenti nei DEFC, dimostrando elevata conduttività e stabilità dell'idrossido.
4. Materiali a base di carbonio:
- Supporti in carbonio: I materiali di carbonio, come carbone attivo, nerofumo e grafene, sono ampiamente utilizzati come supporti catalitici nei DEFC. Questi materiali forniscono un'elevata area superficiale per la deposizione del catalizzatore e facilitano un efficiente trasferimento di elettroni. Sono stati esplorati materiali di carbonio drogati con azoto e nanotubi di carbonio per migliorare ulteriormente l'attività elettrocatalitica e la durata dei DEFC.
5. Materiali bimetallici e compositi:
- Materiali bimetallici e compositi: I ricercatori hanno sviluppato materiali bimetallici e compositi che combinano i vantaggi di diversi materiali per ottenere effetti sinergici. Ad esempio, i catalizzatori Pt-Ru/C mostrano attività e durata migliorate rispetto ai catalizzatori Pt puri. Anche i materiali compositi che incorporano ossidi metallici, polimeri conduttori e strutture metallo-organiche hanno dimostrato prestazioni DEFC migliorate.
Progettando nuovi materiali con proprietà personalizzate, i ricercatori hanno affrontato con successo varie sfide associate ai DEFC. Questi progressi hanno portato a una migliore efficienza, una maggiore durata e costi ridotti, avvicinando i DEFC alle applicazioni pratiche nelle fonti di energia portatili, nelle celle a combustibile per autoveicoli e in altri dispositivi elettrochimici.
