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Efficienti celle a combustibile a etanolo
Le celle a combustibile portatili alimentate direttamente da etanolo potrebbero presto essere pratiche, grazie a un nuovo catalizzatore che rompe un forte legame nel cuore delle molecole di etanolo, liberando elettroni e generando elettricità. Tali celle a combustibile potrebbero sostituire le batterie dei laptop e dei telefoni cellulari e potrebbero eventualmente essere utilizzate per alimentare i veicoli elettrici.
Nanopotenza: Le nanoparticelle di ossido di stagno (sopra) costituiscono la base di un nuovo catalizzatore per celle a combustibile a etanolo.
Le celle a combustibile a etanolo potrebbero essere molto più efficienti dei motori convenzionali alimentati a etanolo. Potrebbero anche essere più pratici delle celle a combustibile a idrogeno, poiché l'etanolo è più facile da immagazzinare e trasportare rispetto all'idrogeno. Ma i ricercatori non erano stati in grado di creare un buon catalizzatore per ossidare l'etanolo al fine di rendere possibili tali celle a combustibile.
I catalizzatori precedenti convertivano l'etanolo in acido acetico e acetaldeide, un processo che rilascia solo un paio di elettroni per molecola di etanolo, generando quindi basse correnti. Abbattere ulteriormente le molecole di etanolo per produrre anidride carbonica rilascerebbe molti più elettroni (per un totale di 12 per molecola di etanolo) e genererebbe correnti più elevate, ma ciò richiede la rottura di un forte legame tra due atomi di carbonio. Per rompere questo legame, i ricercatori hanno dovuto applicare tensioni elevate, rendendo il processo inefficiente: quasi tutta la tensione prodotta dall'ossidazione dell'etanolo è stata utilizzata per sostenere la reazione, riducendo la potenza netta a un filo, afferma Manos Mavrikakis, professore di chimica e ingegneria biologica presso l'Università del Wisconsin-Madison.
Il nuovo catalizzatore, sviluppato dai ricercatori del Brookhaven National Laboratory, rompe i legami di carbonio senza alte tensioni, rilasciando in modo efficiente abbastanza elettroni per produrre correnti elettriche 100 volte superiori a quelle prodotte con altri catalizzatori. Il prossimo passo è incorporare il catalizzatore in una cella a combustibile, in modo che le sue prestazioni possano essere confrontate con quelle di altri catalizzatori nelle celle a combustibile, dice Brian Pivovar, uno scienziato del National Renewable Energy Laboratory, a Golden, CO, che non era coinvolti nella ricerca.
Nei test iniziali al di fuori di una cella a combustibile, il catalizzatore ha prodotto in modo efficiente correnti di 7,5 milliampere per centimetro quadrato. Radoslav Adzic , il chimico senior del Brookhaven National Laboratory che ha guidato il lavoro, afferma di essere quasi sicuro che il catalizzatore, una volta integrato in una cella a combustibile, produrrà correnti elettriche nell'intervallo di centinaia di milliampere per centimetro quadrato. Pivovar dice che la stima sembra ragionevole. Questo livello di corrente, moltiplicato per la tensione prevista prodotta dalla cella, metterebbe le celle a combustibile a etanolo nella stessa gamma delle celle a combustibile alimentate a metanolo, producendo energia sufficiente per l'elettronica portatile. L'etanolo è preferibile al metanolo in diversi modi: immagazzina più energia, è meno tossico ed è più facile da ottenere da fonti rinnovabili. Per alimentare i veicoli e competere con le prestazioni delle celle a combustibile a idrogeno, il catalizzatore e la cella a combustibile dovrebbero essere migliorati. Le correnti dovrebbero essere ben al di sopra dei 1.000 milliampere per centimetro quadrato, afferma Andy Herring , professore di ingegneria chimica presso la Colorado School of Mines, a Golden, CO.
Per realizzare il catalizzatore, Adzic ha depositato minuscoli grappoli di platino e rodio su nanoparticelle di ossido di stagno. In studi precedenti, era stato dimostrato che il rodio rompe i legami tra gli atomi di carbonio, ma solo se vaporizzato ad alte temperature in un vuoto ultraelevato. La combinazione del rodio con l'ossido di stagno gli ha permesso di rompere questi legami come un solido e alle temperature relativamente basse necessarie per le celle a combustibile portatili. Il platino svolge un ruolo chiave nella produzione di protoni ed elettroni dagli atomi di idrogeno in etanolo.
Rimangono sfide significative prima che il catalizzatore possa essere commercializzato nelle celle a combustibile a etanolo. Oltre ad affrontare le sfide di incorporarlo nelle celle a combustibile e ingegnerizzarle per produrre elettricità in modo efficiente a correnti elevate, i ricercatori dovranno trovare modi per ridurre i costi. Il rodio è il metallo prezioso più costoso, è persino più costoso del platino, quindi dovrà essere sostituito con un altro elemento o dovranno essere sviluppate tecniche per ridurre la quantità di rodio richiesta.
Tuttavia, il nuovo catalizzatore rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai tentativi precedenti. Rompere il legame carbonio-carbonio a basse temperature è un problema estremamente difficile, afferma Herring. Il fatto che [Adzic] stia rompendo quel legame è piuttosto eccitante. Ma aggiunge che è solo un passo nel percorso verso questo sogno di una cella a combustibile a etanolo diretto.