Le fibre di carbonio ingegnerizzate incorporate con nanoparticelle attive (in alto) possono essere fabbricate in materiali strutturali leggeri e flessibili (in basso). Credito:UC Riverside
Le celle a combustibile hanno il potenziale per essere un modo pulito ed efficiente di far funzionare le auto, computer, e centrali elettriche, ma il costo di produzione ne limita l'uso. Questo perché un componente chiave delle celle a combustibile più comuni è un catalizzatore costituito dal prezioso metallo platino.
In un articolo pubblicato oggi in Piccolo , ricercatori dell'Università della California, lungo il fiume, descrivere lo sviluppo di un economico, materiale catalitico efficiente per un tipo di cella a combustibile chiamata cella a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC), che trasforma l'energia chimica dell'idrogeno in elettricità ed è tra i tipi di celle a combustibile più promettenti per alimentare automobili ed elettronica.
Il catalizzatore sviluppato all'UCR è costituito da nanofibre di carbonio porose incorporate con un composto costituito da un metallo relativamente abbondante come il cobalto, che è più di 100 volte meno costoso del platino. La ricerca è stata guidata da David Kisailus, il Winston Chung Endowed Professor in Energy Innovation presso il Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering dell'UCR.
Celle a combustibile, che sono già utilizzati da alcune case automobilistiche, offrono vantaggi rispetto alle tradizionali tecnologie di combustione, compresa una maggiore efficienza, funzionamento più silenzioso e minori emissioni. Le celle a combustibile a idrogeno emettono solo acqua.
Come le batterie, Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che comprendono un elettrodo positivo e negativo che racchiude un elettrolita. Quando un combustibile a idrogeno viene iniettato sull'anodo, un catalizzatore separa le molecole di idrogeno in particelle con carica positiva chiamate protoni e particelle con carica negativa chiamate elettroni. Gli elettroni sono diretti attraverso un circuito esterno, dove svolgono un lavoro utile, come alimentare un motore elettrico, prima di ricongiungere gli ioni idrogeno e l'ossigeno carichi positivamente per formare l'acqua.
Un ostacolo critico all'adozione delle celle a combustibile è il costo del platino, rendendo lo sviluppo di materiali catalizzatori alternativi un fattore chiave per la loro implementazione di massa.
Utilizzando una tecnica chiamata elettrofilatura, i ricercatori dell'UCR hanno realizzato fogli sottilissimi di nanofibre di carbonio che contenevano ioni metallici:cobalto, ferro o nichel. Al riscaldamento, gli ioni hanno formato nanoparticelle metalliche ultrafini che hanno catalizzato la trasformazione del carbonio in carbonio grafitico ad alte prestazioni. Successivamente, le nanoparticelle metalliche e il carbonio residuo non grafitico sono stati ossidati, portando a una rete altamente porosa e utile di nanoparticelle di ossido metallico disperse in una rete porosa di grafite.
Kisailus e la sua squadra, collaborando con scienziati della Stanford University, determinato che i nuovi materiali hanno funzionato come i sistemi platino-carbonio standard del settore, ma ad una frazione del costo.
I ricercatori della UC Riverside hanno sviluppato un economico, materiale catalitico efficiente per celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM), che sono tra i tipi di celle a combustibile più promettenti per l'alimentazione di automobili ed elettronica. Credito:BEXIM (CC BY 4.0)
"La chiave per le elevate prestazioni dei materiali che abbiamo creato è la combinazione delle condizioni chimiche e di lavorazione delle fibre, "Ha detto Kisailus. "Le notevoli proprietà elettrochimiche sono state principalmente attribuite agli effetti sinergici ottenuti dall'ingegneria dell'ossido di metallo con siti attivi esposti e dalla struttura grafitica porosa gerarchica 3D".
Kisailus ha affermato che un ulteriore vantaggio del nanocomposito catalitico era che la sua natura di fibra grafitica forniva ulteriore resistenza e durata, che gli consentirebbe di fungere sia da catalizzatore di celle a combustibile sia potenzialmente da componente strutturale.
"Una sfida importante nella realizzazione di veicoli ad alte prestazioni è ridurre il peso, sia dal corpo del veicolo che dal peso extra della batteria o della cella a combustibile, senza compromettere la sicurezza o le prestazioni, " ha detto. "Il materiale che abbiamo creato può consentire alle case automobilistiche di trasformare componenti strutturali, come il cofano o il telaio, in elementi funzionali che aiutano ad alimentare le auto."
