Le celle a combustibile a etanolo sono considerate una promettente fonte di elettricità verde. Tuttavia, nella loro produzione vengono utilizzati costosi catalizzatori al platino. La ricerca sulla fusione laser delle sospensioni condotta presso l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze a Cracovia, ha portato i ricercatori a materiali che catalizzano l'etanolo con un'efficienza simile, e potenzialmente anche maggiore, a quella del platino, ma sono costituiti da un elemento che è molte volte più economico del platino.
Quando gli impulsi laser irradiano una sospensione di nanoparticelle, le particelle nella sospensione possono iniziare a sciogliersi e ad aderire permanentemente, subendo rapidamente reazioni chimiche più o meno complesse. Uno dei recenti materiali così ottenuti, prodotto presso l'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia, risulta avere un'efficienza inaspettatamente elevata nel catalizzare l'etanolo, un composto considerato un promettente potenziale energetico fonte di celle a combustibile.
L’etanolo è un combustibile con molti vantaggi:può essere prodotto in modo rinnovabile (ad esempio dalla biomassa), può essere facilmente immagazzinato e ha una bassa tossicità. Ciò che è di particolare importanza, tuttavia, è il fatto che da una massa unitaria di etanolo è possibile ottenere una quantità di elettricità fino a molte volte superiore rispetto alle attuali fonti di energia popolari.
L'elettricità nelle celle a combustibile alimentate a etanolo è generata da processi associati all'ossidazione di questo alcol sullo strato catalitico della reazione. Sfortunatamente, gli attuali catalizzatori non consentono la rapida e completa ossidazione dell'etanolo in acqua e anidride carbonica. Di conseguenza, le celle non solo non riescono a raggiungere la massima efficienza, ma producono anche sottoprodotti indesiderati che si depositano sul catalizzatore e, nel tempo, portano alla scomparsa delle sue proprietà.
"Un ostacolo considerevole al successo commerciale delle celle a etanolo è anche il loro prezzo. Il catalizzatore che abbiamo trovato può avere un impatto significativo sulla sua riduzione e, di conseguenza, sulla disponibilità di nuove celle sul mercato di consumo. Questo perché il suo componente principale non è platino, ma rame, che è quasi 250 volte più economico del platino", afferma il Dr. Mohammad Shakeri (IFJ PAN), primo autore dell'articolo sulla rivista Advanced Functional Materials.
Il risultato degli scienziati dell'IFJ PAN è il risultato di una ricerca condotta sul controllo laser delle dimensioni e della composizione chimica degli agglomerati nelle sospensioni. L'idea principale alla base della nanosintesi laser dei compositi è l'irradiazione di una sospensione contenente agglomerati di nanoparticelle di una specifica sostanza chimica con impulsi di luce laser non focalizzata con parametri opportunamente selezionati.
L'energia opportunamente erogata fa aumentare la temperatura delle particelle, queste si sciolgono sulla superficie e si aggregano in strutture sempre più grandi, che si raffreddano rapidamente a contatto con il liquido freddo circostante. La temperatura raggiunta dalle particelle è determinata da molti fattori, tra cui l'energia dei fotoni emessi dal laser, l'intensità del fascio, la frequenza e la durata degli impulsi, e perfino la dimensione degli agglomerati in sospensione.
"A seconda della temperatura raggiunta dagli agglomerati, nel materiale possono avvenire diverse reazioni chimiche oltre a cambiamenti di carattere puramente strutturale. Nella nostra ricerca ci siamo concentrati sulla più accurata analisi teorico-sperimentale dei fenomeni fisici e chimici in sospensioni in cui gli impulsi di luce laser venivano assorbiti da nanoparticelle di rame e suoi ossidi," spiega la Dott.ssa Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN).
Nel caso di particelle di soluzione reali, l’aumento di temperatura avviene in nanosecondi, troppo rapidamente per essere misurato. In questa situazione, le analisi teoriche di dinamica molecolare sono diventate il primo passo nella comprensione dei sistemi di rame oggetto di studio, supportate in fasi successive da simulazioni eseguite dal cluster di computer Prometheus di Cracovia.
Grazie a questi, i ricercatori hanno determinato a quale temperatura si riscalderebbero gli agglomerati di varie dimensioni e quali composti potrebbero formarsi in questi processi. Inoltre, hanno verificato se questi composti sarebbero termodinamicamente stabili o subirebbero ulteriori trasformazioni. I fisici hanno utilizzato le conoscenze acquisite per preparare una serie di esperimenti in cui nanoparticelle di rame e i suoi ossidi sono stati fusi al laser in varie proporzioni.
I materiali compositi ottenuti sono stati testati, tra gli altri, nei laboratori dell'IFJ PAN e nel ciclotrone SOLARIS di Cracovia per determinare il grado di ossidazione dei composti del rame. Le informazioni ottenute hanno permesso ai ricercatori di identificare il catalizzatore ottimale. Questo si è rivelato essere un sistema a tre componenti costruito con proporzioni appropriate di rame e suoi ossidi del primo e del secondo stato di ossidazione (cioè Cu2 O e CuO).
"Dal punto di vista dell'efficienza della catalisi dell'etanolo, la scoperta cruciale è stata che le particelle di ossido di rame Cu2 O3 , che di solito è termodinamicamente molto instabile, erano presenti nel nostro materiale. Da un lato sono caratterizzati da un grado di ossidazione estremamente elevato, dall'altro li abbiamo riscontrati soprattutto sulla superficie del Cu2 O particelle, che in pratica significa che avevano un ottimo contatto con la soluzione. Sono questi Cu2 O3 particelle che facilitano l'adsorbimento delle molecole di alcol e la rottura dei legami carbonio-idrogeno in esse contenute," afferma il Dott. Shakeri.
I test sulle proprietà del catalizzatore prodotto dai fisici di Cracovia si sono conclusi con risultati ottimistici. Il composito selezionato ha mantenuto la capacità di ossidare completamente l'etanolo anche dopo diverse ore di utilizzo. Inoltre, la sua efficienza elettrocatalitica si è rivelata paragonabile a quella dei moderni catalizzatori al platino.
Da un punto di vista scientifico, questo risultato è decisamente sorprendente. La catalisi procede generalmente in modo più efficiente quanto maggiore è la superficie degli agglomerati, il che ha a che fare con la frammentazione della loro struttura. Tuttavia, il composito studiato non aveva dimensioni nanometriche, ma diversi ordini di grandezza più grandi, inferiori al micron. Sembra quindi probabile che se in futuro i fisici riuscissero a ridurre le dimensioni delle particelle, l'efficienza del nuovo catalizzatore potrebbe aumentare ulteriormente.
Ulteriori informazioni: Mohammad Sadegh Shakeri et al, Fusione-solidificazione locale alternativa di nanoparticelle sospese per la formazione di eterostrutture consentita dall'irradiazione laser pulsata, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202304359
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
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