C’è un urgente bisogno di affrontare il cambiamento climatico, rendendo lo sviluppo di alternative energetiche sostenibili più importante che mai. Sebbene le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) si siano rivelate molto promettenti per la produzione di energia, in particolare nel settore dei trasporti, esiste un problema di lunga data relativo alla loro durata e ai costi.
Un gruppo di ricerca occidentale ha affrontato il problema con un nuovo nanomateriale modificato con cobalto che rende le PEMFC più robuste, facilmente reperibili e sostenibili dal punto di vista ambientale, dimostrando solo una perdita del 2% del tasso di efficienza dopo 20.000 cicli in un test di durabilità.
Il nuovo nanomateriale viene utilizzato per migliorare la reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR), il processo che forma acqua nella cella a combustibile consentendo una corrente più elevata per una generazione di energia più efficiente. Il nanomateriale modificato con cobalto riduce anche la dipendenza dal platino per costruire queste celle a combustibile. Il platino è un metallo prezioso e costoso, estratto principalmente in Sud Africa. Ogni anno vengono prodotte solo poche centinaia di tonnellate di platino.
Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi e i loro collaboratori del dipartimento di chimica e ingegneria occidentale di Western hanno presentato il nuovo catalizzatore ORR modificato con cobalto nel Journal of Physical Chemistry C.
"Approcci all'avanguardia, tra cui la lega del platino con altri metalli di transizione e la realizzazione di strutture nucleo-guscio, presentano interessanti possibilità riducendo la domanda di platino nelle celle a combustibile mantenendo un'eccezionale attività catalitica", ha affermato Sham, presidente della ricerca canadese sui materiali e la radiazione di sincrotrone. e un autore senior dello studio. "Ma nonostante i progressi significativi, il tallone d'Achille rimane la durabilità di questi catalizzatori, a causa delle strutture intrinsecamente instabili."
Il team di Sham e Sun ha utilizzato un metodo chiamato "doping al cobalto" per modificare le aree superficiali e vicine alla superficie delle nanoparticelle con nucleo e guscio di platino-palladio.
"Il doping è la pratica di introdurre piccolissime quantità di particolari atomi estranei nella struttura cristallina di una nanoparticella per modificarne le proprietà elettroniche. Questi atomi estranei vengono definiti droganti", ha affermato Feizabadi, ex analista di ricerca nel gruppo di ricerca Sham e autore principale dello studio.
Le nuove nanoparticelle drogate con cobalto dimostrano una stabilità eccezionale, sopportando solo una perdita del 2% nell'attività iniziale dopo 20.000 cicli "estenuanti" di un test di durabilità accelerato, utilizzato per ottenere informazioni più approfondite sui meccanismi di degradazione dei catalizzatori in ambienti di laboratorio controllati.
"Ciò sottolinea il ruolo straordinario del cobalto nel potenziamento dell'attività catalitica e nel rafforzamento dell'integrità strutturale del catalizzatore", ha affermato Sham, leader globale nello sviluppo di nuove tecniche spettroscopiche a raggi X.
Per una migliore comprensione del comportamento e della composizione del catalizzatore, il gruppo di ricerca ha studiato le nuove nanoparticelle utilizzando la linea di microanalisi a raggi X duri presso la Canadian Light Source, la struttura nazionale canadese per la sorgente di luce di sincrotrone presso l'Università del Saskatchewan.
Per lo studio, le nanoparticelle sono state analizzate anche presso l'Advanced Photon Source di Lemont, Illinois e presso la Taiwan Photon Source.
"Queste nanoparticelle drogate con cobalto sono estremamente promettenti come catalizzatori ORR altamente efficienti e duraturi, rappresentando un progresso significativo nel campo della tecnologia delle celle a combustibile", ha affermato Sun, professore di Western Engineering e massimo esperto di nanomateriali ed energia pulita.
"Questo approccio globale getta nuova luce sul comportamento e sulla struttura dei catalizzatori, portandoci un passo avanti verso soluzioni energetiche sostenibili."
Ulteriori informazioni: Ali Feizabadi et al, Nanoparticelle Core-Shell Pd@Pt drogate con cobalto:uno studio correlativo della struttura elettronica e dell'attività catalitica nell'ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04274
Informazioni sul giornale: Giornale di chimica fisica C
Fornito dall'Università dell'Ontario Occidentale
