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Un miglior catalizzatore al platino per le celle a combustibile
Un nuovo tipo di catalizzatore potrebbe portare a celle a combustibile che utilizzano un quinto del platino che usano ora. Il nuovo materiale, sviluppato dai ricercatori dell'Università di Houston, dell'Università tecnica di Berlino in Germania e del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia a Menlo Park, in California, è costituito da nanoparticelle con nuclei costituiti da una lega di rame-platino e un shell che è per lo più platino. Il materiale è fino a cinque volte più efficiente del platino normale.
Conchiglia lucida: Quando una nanoparticella di lega di platino-rame di quattro nanometri (in alto) è esposta a una corrente alternata ciclica, gli atomi di rame si separano dalla superficie, creando un guscio ricco di platino, che visualizza più brillantemente (in basso) al microscopio elettronico a trasmissione a scansione.
Il platino e le leghe di platino sono i catalizzatori più efficienti per accelerare le reazioni chimiche nelle celle a combustibile a idrogeno. Il platino è l'unico metallo in grado di resistere alle condizioni acide all'interno di una tale cella, ma è costoso e questo ha limitato le applicazioni su larga scala delle celle a combustibile. Inoltre, circa il 90% della fornitura mondiale di platino proviene da soli due paesi: Sudafrica e Russia.
Il nuovo materiale soddisfa già l'obiettivo 2015 del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per i catalizzatori al platino: produrre almeno 0,44 ampere di corrente elettrica per milligrammo di platino. Produce fino a 0,49 ampere per milligrammo di platino e i ricercatori ritengono che dovrebbe essere possibile aumentare ulteriormente l'attività catalitica del materiale. Se potessimo ottenere un altro fattore di due [miglioramento dell'attività catalitica], pensiamo che il costo del platino in queste celle a combustibile renderebbe la tecnologia più pratica, afferma il fisico SLAC Anders Nilsson .
Questo è un lavoro eccellente che dovrebbe consentirci di utilizzare meno platino nelle celle a combustibile, afferma Jean-Pol Dodelet , professore di energia, materiali e telecomunicazioni presso l'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Quebec.
All'anodo di una cella a combustibile convenzionale con membrana a scambio protonico (PEM), il catalizzatore divide l'idrogeno in ioni idrogeno ed elettroni, con questi ultimi che fuoriescono dalla cella per creare corrente. Al catodo, le molecole di ossigeno si combinano con elettroni e ioni idrogeno per formare acqua. Questa reazione è lenta e accelerarla richiede una quantità di platino 10 volte superiore a quella utilizzata all'anodo. Se stai cercando di sostituire il platino, è più importante sostituire il platino al catodo, afferma Dodelet.
Peter Strasser, professore di ingegneria chimica sia all'Università di Houston che al Università tecnica di Berlino , ha iniziato a lavorare su un nuovo tipo di catalizzatore nel 2005, depositando nanoparticelle di una lega rame-platino su supporti in carbonio. Quando viene applicata una corrente alternata ciclica al materiale, il rame si separa dalla regione superficiale, dando alle nanoparticelle uno strato esterno ricco di platino.
In un recente Chimica della natura carta, i ricercatori rivelano il meccanismo che rende questo catalizzatore più attivo del normale platino. Studiando il modo in cui i raggi X vengono dispersi dal nuovo catalizzatore, hanno scoperto che la distanza tra gli atomi di platino rimasti sulla superficie delle nanoparticelle è inferiore alla distanza nelle nanoparticelle di platino puro. Un buon catalizzatore dovrebbe essere in grado di scindere le molecole di ossigeno in atomi ma non dovrebbe legarsi troppo forte con gli atomi liberi; la minore distanza tra gli atomi di platino nel nuovo materiale lo rende un catalizzatore più efficace perché si lega ancora più debolmente con gli atomi di ossigeno.
Esistono alternative all'utilizzo del platino come catalizzatore. Dodelet e il suo gruppo hanno lavorato con General Motors per sviluppare un promettente catalizzatore a base di ferro che stanno ora lavorando per commercializzare. Nel frattempo, catalizzatori di nanotubi di carbonio a basso costo e catalizzatori di nichel sono in lavorazione per la chimica delle celle a combustibile alcaline.
I catalizzatori privi di platino hanno vantaggi oltre al loro basso costo, afferma Liming Dai , un professore di ingegneria dei materiali presso l'Università di Dayton, in Ohio, che sta lavorando su catalizzatori di nanotubi di carbonio. Le nanoparticelle di platino tendono a perdere la loro efficienza catalitica aggregandosi in particelle più grandi nel tempo o quando il monossido di carbonio si attacca alla loro superficie. I nanotubi di carbonio sono più robusti a lungo termine, afferma Dai.
Questo è un lavoro interessante e un importante progresso perché il meccanismo potrebbe essere applicato ad altri catalizzatori, dice Dai del nuovo catalizzatore al platino. Sarebbe interessante verificare la stabilità a lungo termine e l'effetto di avvelenamento da monossido di carbonio [superficie] per questo tipo di catalizzatore nucleo-guscio.
Strasser concorda sul fatto che il nuovo catalizzatore avrà bisogno di ulteriori test. Tuttavia, la dimensione maggiore delle particelle nucleo-guscio le rende intrinsecamente più stabili del platino puro, afferma. Anche la scelta di questo metallo fa la differenza. Siamo fiduciosi che metalli alternativi al platino nel nucleo, come il cobalto o il nichel, risolveranno il problema della stabilità mantenendo il vantaggio di attività della struttura nucleo-guscio, afferma Strasser.
Il nuovo materiale è stato testato anche in celle a combustibile funzionanti, il che potrebbe rappresentare un vantaggio cruciale per il mercato. La maggior parte di questi altri catalizzatori sono stati misurati in misurazioni elettrochimiche, dice. Hanno un potenziale per l'uso in futuro, ma questo [nuovo catalizzatore] è qualcosa che abbiamo che puoi mettere in celle a combustibile reali oggi.