I progressi nella tecnologia delle celle a combustibile sono stati ostacolati dall'inadeguatezza dei metalli studiati come catalizzatori. Lo svantaggio del platino, oltre al costo, è che assorbe il monossido di carbonio nelle reazioni che coinvolgono le celle a combustibile alimentate da materiali organici come l'acido formico. Un metallo più recentemente testato, palladio, si rompe nel tempo.

Ora i chimici della Brown University hanno creato una nanoparticella metallica a tre teste che, secondo loro, supera tutte le altre all'estremità dell'anodo nelle reazioni delle celle a combustibile con acido formico. In un articolo pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana , i ricercatori riportano una nanoparticella di ferro-platino-oro a 4 nanometri (FePtAu), con una struttura cristallina tetragonale, genera una corrente per unità di massa maggiore rispetto a qualsiasi altro catalizzatore di nanoparticelle testato. Inoltre, la nanoparticella trimetallica a Brown si comporta quasi altrettanto bene dopo 13 ore come all'inizio. Al contrario, un altro gruppo di nanoparticelle testato in condizioni identiche ha perso quasi il 90% delle sue prestazioni in appena un quarto del tempo.

"Abbiamo sviluppato un catalizzatore per celle a combustibile con acido formico che è il migliore che sia stato creato e testato finora, " ha detto Shouheng Sun, professore di chimica alla Brown e autore corrispondente del documento. "Ha una buona durata e una buona attività."

L'oro gioca un ruolo chiave nella reazione. Primo, agisce come una sorta di organizzatore della comunità, portando gli atomi di ferro e platino in ordine, strati uniformi all'interno della nanoparticella. Gli atomi d'oro poi escono di scena, legame alla superficie esterna dell'assemblaggio delle nanoparticelle. L'oro è efficace nell'ordinare gli atomi di ferro e platino perché gli atomi d'oro creano all'inizio spazio extra all'interno della sfera delle nanoparticelle. Quando gli atomi d'oro si diffondono dallo spazio dopo il riscaldamento, creano più spazio per l'assemblaggio degli atomi di ferro e platino. L'oro crea la cristallizzazione che i chimici desiderano nell'assemblaggio delle nanoparticelle a temperatura più bassa.

L'oro rimuove anche il monossido di carbonio (CO) dalla reazione catalizzandone l'ossidazione. Monossido di carbonio, oltre ad essere pericoloso respirare, si lega bene agli atomi di ferro e platino, gonfiando la reazione. Eliminandolo essenzialmente dalla reazione, l'oro migliora le prestazioni del catalizzatore ferro-platino. Il team ha deciso di provare l'oro dopo aver letto in letteratura che le nanoparticelle d'oro erano efficaci nell'ossidare il monossido di carbonio - così efficaci, infatti, che le nanoparticelle d'oro erano state incorporate negli elmetti dei vigili del fuoco giapponesi. Infatti, le nanoparticelle metalliche a tre teste del team Brown hanno funzionato altrettanto bene per rimuovere la CO nell'ossidazione dell'acido formico, anche se non è chiaro esattamente il motivo.

Gli autori sottolineano anche l'importanza di creare una struttura cristallina ordinata per il catalizzatore di nanoparticelle. L'oro aiuta i ricercatori a ottenere una struttura cristallina chiamata "tetragonale a facce centrate, " una forma a quattro lati in cui gli atomi di ferro e platino sono essenzialmente costretti ad occupare posizioni specifiche nella struttura, creare più ordine. Imponendo l'ordine atomico, gli strati di ferro e platino si legano più strettamente nella struttura, rendendo così l'assemblaggio più stabile e durevole, essenziale per catalizzatori più performanti e più duraturi.

Negli esperimenti, il catalizzatore FePtAu ha raggiunto 2809,9 mA/mg Pt (attività di massa, o corrente generata per milligrammo di platino), "che è il più alto tra tutti i catalizzatori NP (nanoparticelle) mai riportato, " scrivono i ricercatori Brown. Dopo 13 ore, la nanoparticella FePtAu ha un'attività di massa di 2600mA/mg Pt, o il 93 percento del suo valore di prestazione originale. In confronto, scrivono gli scienziati, la nanoparticella di platino-bismuto ben accolta ha un'attività di massa di circa 1720 mA/mg Pt in esperimenti identici, ed è quattro volte meno attivo se misurato per la durata.

I ricercatori fanno notare che altri metalli possono sostituire l'oro nel catalizzatore di nanoparticelle per migliorare le prestazioni e la durata del catalizzatore.

"Questa comunicazione presenta una nuova strategia di controllo della struttura per mettere a punto e ottimizzare la catalisi delle nanoparticelle per l'ossidazione del carburante, " scrivono i ricercatori.

Sen Zhang, uno studente laureato del terzo anno nel laboratorio di Sun, aiutato con la progettazione e la sintesi delle nanoparticelle. Shaojun Guo, un borsista postdottorato nel laboratorio di Sun ha eseguito esperimenti di ossidazione elettrochimica. Huiyuan Zhu, uno studente laureato del secondo anno nel laboratorio di Sun, sintetizzato le nanoparticelle di FePt e condotto esperimenti di controllo. L'altro autore che ha contribuito è Dong Su del Center for Functional Nanomaterials presso il Brookhaven National Laboratory, che ha analizzato la struttura del catalizzatore di nanoparticelle utilizzando le avanzate strutture di microscopia elettronica lì.