Il consumo globale di energia sta accelerando a un ritmo allarmante. Le cause principali sono tre:rapida espansione economica, crescita demografica, e una maggiore dipendenza da elettrodomestici basati sull'energia in tutto il mondo.

La nostra crescente domanda di energia e l'impatto ambientale dei combustibili tradizionali pongono serie sfide alla salute umana, Sicurezza energetica, e tutela dell'ambiente. È stato stimato che il mondo dovrà raddoppiare il proprio approvvigionamento energetico entro il 2050 ed è fondamentale sviluppare nuovi tipi di energia per affrontare questa sfida.

Le celle a combustibile di solito utilizzano costosi elettrodi di platino, ma un'alternativa non metallica potrebbe essere una soluzione conveniente per la sicurezza energetica. Le celle a combustibile generano elettricità ossidando il carburante in acqua, fornendo energia pulita e sostenibile.

L'idrogeno può essere utilizzato come combustibile. Primo, l'idrogeno viene scisso nei suoi costituenti elettroni e protoni. Quindi il flusso di elettroni genera energia elettrica, prima che gli elettroni e i protoni si uniscano con l'ossigeno ridotto, formando acqua come unico sottoprodotto.

Questa tecnologia ha un'elevata efficienza di conversione dell'energia, non crea praticamente alcun inquinamento, e ha il potenziale per un uso su larga scala. Però, la reazione vitale che genera ossigeno ridotto nelle celle a combustibile richiede un catalizzatore, tradizionalmente un elettrodo di platino. Sfortunatamente, l'alto costo e le risorse limitate hanno reso questo catalizzatore di metallo prezioso la principale barriera alle celle a combustibile del mercato di massa.

Da quando le celle a combustibile che utilizzano il platino sono state sviluppate per la missione lunare Apollo negli anni '60, i ricercatori hanno sviluppato catalizzatori realizzati con leghe contenenti platino insieme a metalli più economici. Questi catalizzatori in lega hanno un contenuto di platino inferiore, tuttavia la produzione di massa commerciale richiede ancora grandi quantità di platino. Per rendere le celle a combustibile una valida opzione energetica su larga scala, abbiamo bisogno di altri efficienti, basso costo, ed elettrodi stabili.

In precedenza abbiamo scoperto una nuova classe di catalizzatori privi di metalli a basso costo basati su nanotubi di carbonio con aggiunta di azoto, che ha funzionato meglio del platino nelle celle a combustibile di base. Il miglioramento delle prestazioni catalitiche può essere attribuito alla capacità di accettazione degli elettroni degli atomi di azoto, che aiuta la reazione di riduzione dell'ossigeno. Questi a base di carbonio, catalizzatori privi di metalli potrebbero ridurre drasticamente i costi di commercializzazione della tecnologia delle celle a combustibile. Sfortunatamente, si trovano spesso meno efficaci in condizioni acide, le condizioni tipiche delle celle a combustibile tradizionali.

Utilizzo di compositi di carbonio con una struttura porosa per aumentare l'area superficiale e nanotubi per migliorare la conduttività, la nostra ultima ricerca dimostra che i nostri nanomateriali sono in grado di catalizzare la riduzione dell'ossigeno con la stessa efficienza dei catalizzatori di metalli non preziosi all'avanguardia e con una stabilità più lunga. Questo primo tentativo riuscito di utilizzare catalizzatori privi di metalli a base di carbonio nelle celle a combustibile acide potrebbe facilitare la commercializzazione di celle a combustibile economiche e durevoli.

Oltre alle celle a combustibile, questi nuovi catalizzatori di nanomateriali di carbonio privi di metalli sono anche elettrodi efficienti per celle solari a basso costo, supercondensatori per l'accumulo di energia, e sistemi di scissione dell'acqua che generano carburante dall'acqua. L'uso diffuso di catalizzatori privi di metalli a base di carbonio si tradurrà quindi in un migliore risparmio di carburante, una diminuzione delle emissioni nocive, e una ridotta dipendenza dalle fonti petrolifere. Questo potrebbe influenzare drammaticamente la vita nel prossimo futuro.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).