Poiché le fonti rinnovabili come l'eolico e il solare stanno rapidamente cambiando il panorama energetico, gli scienziati stanno cercando modi per immagazzinare meglio l'energia per quando è necessaria. Celle a combustibile, che convertono l'energia chimica in energia elettrica, sono una possibile soluzione per lo stoccaggio di energia a lungo termine, e un giorno potrebbe essere utilizzato per alimentare camion e automobili senza bruciare carburante. Ma prima che le celle a combustibile possano essere ampiamente utilizzate, chimici e ingegneri devono trovare modi per rendere questa tecnologia più conveniente e stabile.

Un nuovo studio del laboratorio di Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray, guidato dalla studentessa Jennifer Lee, mostra come i nanomateriali progettati su misura possono essere utilizzati per affrontare queste sfide. In Materiali e interfacce applicati ACS , i ricercatori mostrano come una cella a combustibile può essere costruita da meno, metalli più ampiamente disponibili utilizzando un design a livello atomico che conferisce anche stabilità al materiale a lungo termine. L'ex post-doc Davit Jishkariani e gli ex studenti Yingrui Zhao e Stan Najmr, attuale studente Daniel Rosen, e i professori James Kikkawa ed Eric Stach, anche contribuito a questo lavoro.

La reazione chimica che alimenta una cella a combustibile si basa su due elettrodi, un anodo negativo e un catodo positivo, separato da un elettrolita, una sostanza che permette agli ioni di muoversi. Quando il carburante entra nell'anodo, un catalizzatore separa le molecole in protoni ed elettroni, con quest'ultimo che viaggia verso il catodo e crea una corrente elettrica.

I catalizzatori sono tipicamente costituiti da metalli preziosi, come platino, ma poiché le reazioni chimiche avvengono solo sulla superficie del materiale, gli atomi che non si presentano sulla superficie del materiale vengono sprecati. È anche importante che i catalizzatori siano stabili per mesi e anni perché le celle a combustibile sono molto difficili da sostituire.

I chimici possono affrontare questi due problemi progettando nanomateriali personalizzati che hanno platino in superficie mentre utilizzano metalli più comuni, come il cobalto, alla rinfusa per fornire stabilità. Il gruppo Murray eccelle nella creazione di nanomateriali ben controllati, noti come nanocristalli, in cui possono controllare le dimensioni, forma, e composizione di qualsiasi nanomateriale composito.

In questo studio, Lee si è concentrato sul catalizzatore nel catodo di un tipo specifico di cella a combustibile nota come cella a combustibile con membrana a scambio protonico. "Il catodo è più un problema, perché i materiali sono platino o a base di platino, che sono costosi e hanno velocità di reazione più lente, " dice. "Progettare il catalizzatore per il catodo è l'obiettivo principale della progettazione di una buona cella a combustibile".

La sfida, spiega Jishkariani, consisteva nel creare un catodo in cui gli atomi di platino e cobalto si sarebbero formati in una struttura stabile. "Sappiamo bene che cobalto e platino si mescolano bene; tuttavia, se fai leghe di questi due, hai aggiunto atomi di platino e cobalto in ordine casuale, " dice. L'aggiunta di più cobalto in ordine casuale lo fa filtrare nell'elettrodo, il che significa che la cella a combustibile funzionerà solo per un breve periodo.

Risolvere questo problema, i ricercatori hanno progettato un catalizzatore composto da strati di platino e cobalto noto come fase intermetallica. Controllando esattamente dove si trovava ciascun atomo nel catalizzatore e bloccando la struttura in posizione, il catalizzatore catodico è stato in grado di funzionare per periodi più lunghi rispetto a quando gli atomi erano disposti casualmente. Come ulteriore scoperta inaspettata, i ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di più cobalto al sistema ha portato a una maggiore efficienza, con un rapporto 1 a 1 tra platino e cobalto, meglio di molte altre strutture con un'ampia gamma di rapporti platino-cobalto.

Il prossimo passo sarà testare e valutare il materiale intermetallico negli assemblaggi di celle a combustibile per effettuare confronti diretti con i sistemi disponibili in commercio. Il gruppo Murray lavorerà anche su nuovi modi per creare la struttura intermetallica senza alte temperature e vedere se l'aggiunta di atomi aggiuntivi migliora le prestazioni del catalizzatore.

Questo lavoro ha richiesto l'imaging microscopico ad alta risoluzione, lavoro che Lee ha svolto in precedenza al Brookhaven National Lab ma, grazie alle recenti acquisizioni, può ora essere fatto a Penn nel Singh Center for Nanotechnology. "Molti degli esperimenti di fascia alta che avremmo dovuto fare in giro per il paese, a volte in giro per il mondo, ora possiamo fare molto più vicino a casa, " dice Murray. "I progressi che abbiamo portato nella microscopia elettronica e nella diffusione dei raggi X sono un'aggiunta fantastica per le persone che lavorano sulla conversione dell'energia e sugli studi catalitici".

Lee ha anche sperimentato in prima persona come la ricerca chimica si collega direttamente alle sfide del mondo reale. Ha recentemente presentato questo lavoro alla conferenza dell'International Precious Metals Institute e afferma che incontrare i membri della comunità dei metalli preziosi è stato illuminante. "Ci sono aziende che guardano alla tecnologia delle celle a combustibile e parlano del nuovo design delle auto a celle a combustibile, " dice. "Puoi interagire con persone che pensano al tuo progetto da prospettive diverse".

Murray vede questa ricerca fondamentale come un punto di partenza verso l'implementazione commerciale e l'applicazione nel mondo reale, sottolineando che il progresso futuro si basa sulla ricerca lungimirante che sta accadendo ora. "Pensando a un mondo in cui abbiamo sostituito molti dei tradizionali input basati sui combustibili fossili, se riusciamo a capire questa interconversione di energia elettrica e chimica, che affronterà contemporaneamente un paio di problemi molto importanti."