Platino, grafene e ossidi metallici per i catalizzatori delle batterie a combustibile

Una collaborazione tra il Dipartimento dell'Energia del Pacific Northwest National Laboratory, l'Università di Princeton e la Washington State University ha permesso di realizzare un nuovo materiale per la costruzione dei catalizzatori da impiegare nelle batterie a celle di combustibile, in grado di offrire una migliore efficienza ed una maggiore durata nel tempo.

Il team di ricercatori ha avuto l'intuizione di combinare il grafene, una particolare struttura in carbonio caratterizzata dallo spessore di un atomo e da un reticolo cristallino a nido d'ape, con nanoparticelle di ossidi metallici allo scopo di stabilizzare un catalizzatore e renderlo più adatto ad operare all'interno delle batterie a celle di combustibile.

Il chimico Jun Liu del PNNL ha dichiarato: "Le celle a combustibile rappresentano una parte importante nelle tecnologie energetiche, ma i loro costi e la loro durata nel tempo sono ancora una sfida. La struttura unica di questo materiale è capace di offrire la necessaria stabilità, una buona conduttività elettrica e una serie di apprezzabili proprietà". A Jun Liu fa eco Yong Wang, chimico del PNNL e della WSU: "Si tratta di un materiale che ha grandi potenzialità e potrebbe consentire di rendere le batterie a celle di combustibili più economiche e più durature, oltre a suggerire interessanti spunti per migliorare le prestazioni di altri catalizzatori basati su carbonio per una vasta gamma di applicazioni industriali".

Le celle di combustibile funzionano rompendo i legami delle molecole di irodgeno e ossigeno in ioni positivi ed elettroni, con produzione di acqua e calore nel processo. Elemento fondamentale delle celle di combustibile è il catalizzatore chimico dove avviene la reazione, per il quale viene comunemente utilizzato un metallo prezioso come il platino, depositato su un materiale di supporto normalmente basato sul carbonio. Un buon materiale di supporto distribuisce in maniera omogenea il platino sulla sua superificie, per massimizzare l'area di reazione.

Normalmente viene impiegato black carbon come materiale di supporto, ma gli atomi di platino trendono a formare grumi su di esso. Un'altra opzione di supporto sono gli ossidi metallici, ma il vantaggio in termini di stabilità e dispersione del catalizzatore vengono annullati dalla minor conduttività e difficoltà di sintesi. Una strada intrapresa in passato da altri ricercatori è proprio quella di combinare carbonio e ossidi metallici per cercare di ottenere le migliori caratteristiche dai due mondi.

Liu ed i colleghi hanno così individuato nel grafene un candidato interessante: il reticolo a nido d'ape del grafene è poroso, elettricamente conduttivo e mette a disposizione molto spazio per gli atomi di platino. Il gruppo di ricerca ha cristallizzato nanoparticelle di un ossido di indio-stagno direttamente sul grafene e ha in seguito aggiunto nanoparticelle di platino al grafene trattato con l'ossido.

L'analisi al microscopio elettronico ha dimostrato che senza il trattamento con l'ossidio, il platino si raggruma anche sulla superficie del grafene ma, proprio grazie all'ossidio di indio-stagno, le nanoparticelle del catalizzatore hanno modo di distribuirsi in maniera omogenea. Per valutare la stabilità di questa particolare composizione, sono stati condotti calcoli di interazione molecolare tra grafene, platino e l'ossido di indio-stagno che hanno mostrato come l'abbinamento dei tre materiali dia come risultato un composto molto più stabile rispetto all'accoppiata ossido-grafene o platino-grafene. Oltre alla maggiore stabilità, la struttura di grafene-ossido-platino ha mostrato una capacità di rottura dei legami delle molecole del 40% superiore rispetto all'abbinamento platino-grafene o con altri supporti basati sul carbonio.

Il gruppo di ricerca ha inoltre condotto altri test sperimentali invecchiando artificialmente il composto, per valutare quanto questo nuovo materiale sia in grado di sostenere un utilizzo ripetuto. A seguito dell'invecchiamento artificiale è stata riscontrata una durata tripla rispetto all'accoppiata platino-grafene e doppia rispetto ad un composto che prevede altri materiali di supporto carbon-based. Anche i test di corrosione hanno mostrato un miglior comportamento rispetto agli altri materiali normalmente impiegati.

Gli scienziati stanno ora integrando il grafene-ossido-platino all'interno di celle a combustibile sperimentali, per determinarne le prestazioni in un ambito di operatività reale.