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Un catalizzatore per celle a combustibile più economiche
Un nuovo catalizzatore a base di ferro funziona così come catalizzatori a base di platino per accelerare le reazioni chimiche all'interno delle celle a combustibile a idrogeno. La scoperta potrebbe aiutare a rendere le celle a combustibile per le auto elettriche più economiche e pratiche.
Ricetta catalizzatore: Per realizzare il catalizzatore finale vengono utilizzati nerofumo, acetato di ferro e un materiale di riempimento rosso o bianco.
I ricercatori sulle celle a combustibile sono alla ricerca di alternative più economiche e più abbondanti al platino, che costa tra $ 1.000 e $ 2.000 l'oncia ed è estratto quasi esclusivamente in soli due paesi: Sud Africa e Russia. È noto da tempo che un catalizzatore promettente che utilizza materiali molto meno costosi, ferro, azoto e carbonio, promuove le reazioni necessarie, ma a velocità che sono troppo lente per essere pratiche.
Ora i ricercatori dell'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Quebec hanno notevolmente aumentato le prestazioni di questo tipo di catalizzatore a base di ferro. Il loro materiale produce 99 ampere per centimetro cubo a 0,8 volt, una misura chiave dell'attività catalitica. È 35 volte migliore del miglior catalizzatore in metallo non prezioso finora, e vicino all'obiettivo del Dipartimento dell'Energia per i catalizzatori a celle a combustibile: 130 ampere per centimetro cubo. Corrisponde anche alle prestazioni dei tipici catalizzatori al platino, afferma Jean-Pol Dodelet , un professore di energia, materiali e telecomunicazioni all'INRS che ha guidato il lavoro.
Il miglioramento, riportato nell'ultimo numero della rivista Scienza , è abbastanza sorprendente, dice Radoslav Adzic , un chimico senior presso il Brookhaven National Laboratory di Upton, NY, che sviluppa anche catalizzatori per celle a combustibile. Il nuovo materiale soddisfa un punto di riferimento per le celle a combustibile a idrogeno fissato cinque anni fa che pensavamo che nessuno avrebbe mai incontrato, aggiunge Hubert Gasteiger , professore in visita di ingegneria meccanica al MIT. Per la prima volta, un catalizzatore in metallo non prezioso ha senso.
L'intuizione chiave dei ricercatori dell'INRS è stata quella di trovare un modo per aumentare il numero di siti catalitici attivi all'interno del materiale: con più siti per le reazioni chimiche, la velocità complessiva delle reazioni nel materiale aumenta. In lavori precedenti, i ricercatori avevano dimostrato che il riscaldamento del nerofumo (una forma polverosa di carbonio simile alla grafite) a temperature elevate in presenza di ammoniaca e acetato di ferro creava spazi nel carbonio larghi solo pochi atomi. Gli atomi di azoto si legano ai lati opposti di questi minuscoli spazi vuoti e uno ione di ferro collega questi atomi, formando un sito attivo per la catalisi.
Per aumentare il numero di questi siti, i ricercatori hanno utilizzato una forma di carbonio disponibile in commercio che ha già un gran numero di pori altrettanto stretti. Il riempimento di questi pori con un materiale contenente azoto e ferro e quindi il riscaldamento della miscela ha portato a velocità di reazione molto migliorate.
Il catalizzatore è progettato per funzionare nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM), un tipo di cella a combustibile preferito dalle case automobilistiche perché opera a temperature relativamente basse e ha un'elevata densità di potenza, ovvero una cella a combustibile relativamente piccola può produrre abbastanza elettricità per spingere una macchina. Le celle a combustibile PEM utilizzano catalizzatori a due elettrodi. Un catalizzatore scinde l'idrogeno e l'altro promuove una reazione che combina protoni e ossigeno per produrre acqua. La seconda reazione è più difficile da eseguire: nelle celle a combustibile convenzionali, il platino viene utilizzato in entrambi gli elettrodi, ma è necessario 10 volte di più dal lato della produzione di acqua. Il nuovo catalizzatore sostituisce il platino sul lato che produce acqua, eliminando quasi tutto il platino nella cella a combustibile.
Recentemente, altri catalizzatori di metalli non preziosi sono stati dimostrati in un altro tipo di cella a combustibile, chiamata cella alcalina, ma questi potrebbero non funzionare nell'ambiente acido delle celle a combustibile PEM. Allo stesso tempo, molti ricercatori stanno trovando modi per ridurre la quantità di platino necessaria, piuttosto che sostituire del tutto il materiale. Ciò potrebbe rendere le celle a combustibile più convenienti a breve termine, anche se alla fine, se le celle a combustibile verranno utilizzate ampiamente, sarà necessario un catalizzatore di metallo non prezioso, afferma Adzic.
Dodelet ritiene che mentre il suo gruppo ha risolto il problema dell'aumento dell'attività del catalizzatore, rimangono altri due ostacoli significativi prima che possa essere pratico nelle celle a combustibile. Innanzitutto, la durata del catalizzatore deve essere migliorata. Dopo 100 ore di test, le velocità di reazione sono diminuite della metà. In secondo luogo, poiché il catalizzatore può funzionare solo alla velocità con cui vengono forniti i reagenti, il trasporto di ossigeno e protoni nel materiale deve essere migliorato, cosa che Dodelet intende lasciare agli ingegneri delle celle a combustibile. Adzic afferma che il primo passo per affrontare la durabilità dei materiali sarà studiare attentamente il catalizzatore per capire meglio come funziona.