Gli scienziati che lavorano presso il Dipartimento di nanomateriali funzionali presso l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia delle scienze polacca hanno progettato e sintetizzato un ternario funzionale Pt/Re/SnO ₂ /C catalizzatore come materiale anodico in una cella a combustibile ad etanolo diretto. È stato possibile sintetizzando il platino, nanoparticelle di renio e ossido di stagno di forma sferica e che garantiscono il contatto fisico tra di loro. Questa scoperta porterà alla produzione di prodotti più efficienti, catalizzatori per celle a combustibile più ecologici ed economici.

Una delle maggiori sfide che la scienza moderna deve affrontare oggi è lo sviluppo di nuovi, tecnologie efficienti e rispettose dell'ambiente per convertire l'energia chimica in elettricità. Le celle a combustibile a etanolo stanno diventando una fonte di energia alternativa. L'etanolo sembra essere il carburante ideale del futuro, perché, rispetto al metanolo o all'idrogeno, ha una tossicità significativamente inferiore, non pone problemi o minacce nello stoccaggio e nel trasporto, e può essere ottenuto anche da biomasse. Però, i catalizzatori utilizzati nelle celle a combustibile ad etanolo diretto (DEFC) non sono sufficientemente efficaci e producono principalmente sottoprodotti invece del previsto prodotto finale di etanolo, come l'anidride carbonica. Queste sostanze si adsorbono fortemente sulla superficie del platino, che è il catalizzatore più comunemente usato. Di conseguenza, bloccano i siti cataliticamente attivi impedendo un'ulteriore reazione, provocando così il cosiddetto avvelenamento del catalizzatore e abbassando l'efficienza complessiva del dispositivo. Perciò, la sfida principale è sviluppare il tipo appropriato di catalizzatori.

I catalizzatori a base di platino e platino sono ampiamente utilizzati nei DEFC. L'assorbimento dell'etanolo avviene sulla superficie del platino, che innesca la sua reazione di ossidazione (Ethanol Oxidation Reaction-EOR). I problemi di avvelenamento possono essere risolti aggiungendo altri componenti al platino, come rodio metallico e ossidi di stagno, che migliorano l'efficienza dell'EOR perché svolgono un ruolo unico e individuale nel percorso di ossidazione dell'etanolo. La funzione del rodio è quella di scindere il legame carbonio-carbonio nella molecola di etanolo, mentre il biossido di stagno fornisce gruppi ossidrilici per gli intermedi ossidanti e aiuta a sbloccare la superficie inattiva del platino. Oltre al rodio e allo stagno, elementi come Ru, io, Cu, Fe, Co, Vengono utilizzati anche Ni e molti altri. Un nanocatalizzatore ternario contenente nanoleghe di platino e rodio depositate su ossido di stagno, che è attualmente considerata una delle configurazioni più efficienti e selettive nella reazione di ossidazione dell'etanolo, è stato anche ampiamente studiato. Si suggerisce inoltre che il contatto fisico tra le nanoparticelle svolga un ruolo cruciale.

Scienziati del Dipartimento di nanomateriali funzionali dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze, guidato dal Prof. Ing. Magdalena Parlinska-Wojtan, ha assunto il compito di ideare e sintetizzare un nuovo materiale, che potrebbe svolgere il ruolo di catalizzatore anodico. Per questo scopo, decisero di analizzare l'effetto del renio, utilizzato come uno dei tre componenti del catalizzatore, sul miglioramento dell'efficienza dell'EOR. Inoltre, i ricercatori hanno ipotizzato che utilizzando interazioni intermolecolari e misurazioni del potenziale elettrocinetico, sarebbe possibile assemblare il Pt sintetizzato separatamente, Re e SnO ₂ nanoparticelle in combinazioni doppie e triple per garantire il loro contatto fisico. Questo assemblaggio è possibile grazie ai valori opposti del potenziale elettrocinetico di ciascun tipo di nanoparticelle. Durante l'esecuzione di studi di stabilità, i ricercatori si sono anche concentrati sulla durabilità del catalizzatore perché la degradazione dei componenti del nanocatalizzatore è un grave fattore che limita la stabilità e la commercializzazione dei catalizzatori.

"Nella prima fase del nostro lavoro, abbiamo ottimizzato i processi per ottenere le singole nanoparticelle:platino, renio e ossido di stagno, che dovevano essere i componenti di un catalizzatore anodico, " afferma il Dr. Ing. Elzbieta Drzymala di IFJ PAN, l'autore principale della pubblicazione scientifica, descrivere i dettagli degli studi condotti. "Quindi, utilizzando interazioni intermolecolari, abbiamo messo insieme nanoparticelle sintetizzate individualmente per garantire il contatto fisico tra loro. In questo modo, abbiamo ottenuto combinazioni di nanoparticelle binarie e ternarie, che sono stati poi depositati su substrati di carbonio con distribuzione uniforme per fornire alle molecole di etanolo il miglior accesso alle superfici attive. Il passo successivo è stato quello di studiare le proprietà elettrochimiche di combinazioni binarie e ternarie selezionate, dato il loro potenziale utilizzo come materiale anodico nelle celle a combustibile a etanolo. Finalmente, abbiamo confrontato i risultati del nostro lavoro con un catalizzatore commerciale al platino."

I risultati ottenuti si sono rivelati molto importanti e hanno incoraggiato ulteriori ricerche su questo tipo di materiali. Il catalizzatore sviluppato dal gruppo IFJ PAN a base di Pt, Re e SnO ₂ le nanoparticelle possono essere utilizzate con successo come catalizzatore anodico nei DEFC. Le analisi effettuate con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) in combinazione con la spettroscopia EDS hanno confermato il contatto fisico tra le nanoparticelle che formano il ternario Pt/Re/SnO ₂ /C catalizzatore (vedi figura). È stato sperimentalmente dimostrato da tecniche voltammetriche che questo catalizzatore ternario mostra un'attività più di dieci volte superiore nella reazione di ossidazione dell'etanolo rispetto a un catalizzatore al platino commerciale. Oltretutto, è stato dimostrato che Pt/Re/SnO ₂ /C catalizzatore presenta la migliore stabilità:dopo il test, ha conservato quasi il 96 % della superficie elettrochimicamente attiva (rispetto al 12 % del catalizzatore commerciale). È anche importante che il catalizzatore ternario mostri il valore più basso di potenziale di insorgenza:il valore del potenziale di ossidazione iniziale è quasi 0,3 V inferiore rispetto a un catalizzatore al platino commerciale. Così, l'uso del renio come terzo componente e il collegamento delle nanoparticelle in modo che rimangano in contatto fisico hanno generato l'effetto desiderato di migliorare l'efficienza dell'EOR.

"La nostra ulteriore ricerca continuerà a concentrarsi sui catalizzatori per celle a combustibile, " spiega il Dr. Ing. Drzymala. "Tuttavia, fare un passo avanti, vorremmo risolvere i problemi economici e sviluppare un sistema catalitico con proprietà migliori o almeno comparabili ma senza l'aggiunta di platino. Credo che l'uso di nanoparticelle prive di platino decorate con piccoli SnO . a 2 nanometri ₂ le nanoparticelle come componenti di un tale catalizzatore ci avvicineranno alla creazione di un materiale completamente funzionale per l'anodo della cella a combustibile. Spero che il catalizzatore senza platino venga presto sintetizzato presso il Dipartimento per i nanomateriali funzionali dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze".