Una nuova combinazione di nanoparticelle e grafene si traduce in un materiale catalitico più durevole per le celle a combustibile, secondo il lavoro pubblicato oggi online sul Journal of American Chemical Society. Il materiale catalitico non è solo più resistente ma anche chimicamente più attivo. I ricercatori sono fiduciosi che i risultati contribuiranno a migliorare la progettazione delle celle a combustibile.

"Le celle a combustibile sono un'area importante della tecnologia energetica, ma il costo e la durata sono grandi sfide, " ha detto il chimico Jun Liu. "La struttura unica di questo materiale fornisce la necessaria stabilità, buona conduttività elettrica e altre proprietà desiderate."

Liu e i suoi colleghi del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy, Università di Princeton a Princeton, NJ, e la Washington State University di Pullman, Lavare., grafene combinato, un nido d'ape di carbonio dello spessore di un atomo con pratiche proprietà elettriche e strutturali, con nanoparticelle di ossido di metallo per stabilizzare un catalizzatore di celle a combustibile e renderlo più disponibile per svolgere il suo lavoro.

"Questo materiale ha un grande potenziale per rendere le celle a combustibile più economiche e durare più a lungo, " ha detto il chimico catalitico Yong Wang, che ha un appuntamento congiunto con PNNL e WSU. "Il lavoro può anche fornire lezioni per migliorare le prestazioni di altri catalizzatori a base di carbonio per un'ampia gamma di applicazioni industriali".

Ossido di metallo muscolare

Le celle a combustibile funzionano scomponendo chimicamente i gas di ossigeno e idrogeno per creare una corrente elettrica, producendo acqua e calore nel processo. Il fulcro della cella a combustibile è il catalizzatore chimico - di solito un metallo come il platino - seduto su un supporto che è spesso fatto di carbonio. Un buon materiale di supporto distribuisce uniformemente il platino sulla sua superficie per massimizzare l'area superficiale con cui può attaccare le molecole di gas. È anche elettricamente conduttivo.

Gli sviluppatori di celle a combustibile usano più comunemente il carbonio nero - pensa alla mina di matita - ma gli atomi di platino tendono a aggregarsi su tale carbonio. Inoltre, l'acqua può degradare il carbonio. Un'altra opzione di supporto sono gli ossidi metallici - pensa alla ruggine - ma ciò che gli ossidi metallici compensano nella stabilità e nella dispersione del catalizzatore, perdono in conducibilità e facilità di sintesi. Altri ricercatori hanno iniziato a esplorare gli ossidi metallici in combinazione con i materiali di carbonio per ottenere il meglio da entrambi i mondi.

Come supporto di carbonio, Liu e i suoi colleghi pensavano che il grafene fosse intrigante. Il reticolo a nido d'ape del grafene è poroso, elettricamente conduttivo e offre molto spazio per il lavoro degli atomi di platino. Primo, il team ha cristallizzato nanoparticelle dell'ossido di metallo noto come ossido di indio e stagno – o ITO – direttamente su grafene appositamente trattato. Quindi hanno aggiunto nanoparticelle di platino al grafene-ITO e hanno testato i materiali.

Peso platino

Il team ha osservato i materiali con microscopi ad alta risoluzione presso l'EMSL, Laboratorio di scienze molecolari ambientali del DOE nel campus del PNNL. Le immagini hanno mostrato che senza ITO, atomi di platino ammassati sulla superficie del grafene. Ma con ITO, il platino si è ben distribuito. Quelle immagini mostravano anche platino catalitico incuneato tra le nanoparticelle e la superficie del grafene, con le nanoparticelle parzialmente appoggiate sul platino come un fermacarte.

Per vedere quanto fosse stabile questa disposizione, il team ha eseguito calcoli teorici delle interazioni molecolari tra il grafene, platino e ITO. Questo calcolo numerico sul supercomputer Chinook dell'EMSL ha mostrato che il trio era più stabile del solo ossido di metallo sul grafene o del solo catalizzatore sul grafene.

Ma la stabilità non fa differenza se il catalizzatore non funziona. Nei test sulla capacità dei materiali di scomporre l'ossigeno come farebbero in una cella a combustibile, la tripla minaccia racchiudeva circa il 40% in più di un wallop rispetto al solo catalizzatore su grafene o al solo catalizzatore su altri supporti a base di carbonio come il carbone attivo.

Scorso, il team ha testato la resistenza del nuovo materiale all'uso ripetuto invecchiandolo artificialmente. Dopo l'invecchiamento, il materiale tripartito si è dimostrato tre volte più resistente del catalizzatore solitario sul grafene e due volte più resistente del carbone attivo comunemente usato. I test di corrosione hanno rivelato che la tripla minaccia era più resistente anche degli altri materiali testati.

Il team sta ora incorporando il materiale platino-ITO-grafene in celle a combustibile sperimentali per determinare quanto bene funzioni in condizioni reali e quanto tempo duri.