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

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

Sarà possibile costruire batterie a combustibile più durevoli grazie a catalizzatori più stabili ed efficienti con un'opportuna combinazione di grafene, platino e ossidi metallici

di Andrea Bai pubblicata il , alle 11:29 nel canale Scienza e tecnologia
 

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.

10 Commenti
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MaxArt16 Febbraio 2011, 11:54 #1
Ritornano le celle a combustibile, ma rimangono un sacco di problemi, problemi, problemi. Bene che si faccia ricerca, ma finché si usano ancora metalli come il platino sappiamo che non sarà roba buona per il mercato di massa.
rb120516 Febbraio 2011, 12:40 #2
Originariamente inviato da: MaxArt
Ritornano le celle a combustibile, ma rimangono un sacco di problemi, problemi, problemi. Bene che si faccia ricerca, ma finché si usano ancora metalli come il platino sappiamo che non sarà roba buona per il mercato di massa.


Beh il platino c'è anche nelle marmitte catalitiche, e se non è mercato di massa quello! Tutto dipende dalla quantità necessaria.
ld5016 Febbraio 2011, 12:48 #3
Originariamente inviato da: rb1205
Beh il platino c'è anche nelle marmitte catalitiche, e se non è mercato di massa quello! Tutto dipende dalla quantità necessaria.


Di fatti la marmitta catalitica, se non sbaglio passaggio a euro 2 ha portato un aumento del prezzo finale di circa 500 euro su tutte le automobili.
Non mi sembrano spiccioli.
+Benito+16 Febbraio 2011, 15:35 #4
Andrea non volermene ma cazzo ogni volta sempre gli stessi errori, se non volete studiare le cose di cui volete parlare non parlatene che fate una figura migliore.
Le batterie a celle di combustibile non esistono, esistono le celle a combustibile che non sono batterie.
tossy16 Febbraio 2011, 16:47 #5
Originariamente inviato da: ld50
Di fatti la marmitta catalitica, se non sbaglio passaggio a euro 2 ha portato un aumento del prezzo finale di circa 500 euro su tutte le automobili.
Non mi sembrano spiccioli.


Una futura auto elettrica, con sole celle a combustibile, non avrebbe il motore, il cambio, la tramissione, i semiassi, l'impianto di scarico con filtri, catalizzatori e sensori, e altri 1000 organi meccanici soggetti ad usura e che apportano oltre il 50% del peso del veicolo intero.
Togli quello elencato, circa 7.000 -> 10.000 euro o oltre (su un auto di media cilindrata) e mettici 4 motori asincroni calettati direttamente sul mozzo delle ruote, una centralina da 10Kg e le celle da 60Kw, il resto lo occupi con serbatoi ad alta pressione in carbonio. Con la produzione in grande scala non costerebbe molto di più di un auto di oggi ... ma non lo vogliono fare ... chissà perchè ...

E pensare che 40 anni fà l'uomo sulla luna è andato anche grazie alle celle a combustibile ... chissà come mai sta tecnologia non evolve ... mah

Originariamente inviato da: +Benito+
Andrea non volermene ma cazzo ogni volta sempre gli stessi errori, se non volete studiare le cose di cui volete parlare non parlatene che fate una figura migliore.
Le batterie a celle di combustibile non esistono, esistono le celle a combustibile che non sono batterie.


Un p'ò rude ... ma quoto
bagnino8916 Febbraio 2011, 17:15 #6
Il problema non sono tanto le fuel cells, quanto il combustibile; ovvero, riguardo il settore automobilistico (e quindi parliamo di PEMFC), necessariamente idrogeno puro. E' questa la vera sfida...
djfix1316 Febbraio 2011, 23:51 #7
non serve idrogeno puro per generare elettricità...ci sono mille altri materiali che sono più facili da gestire dell'idrogeno puro....
brunposta17 Febbraio 2011, 07:16 #8
x bagnino89

Io sapevo che potenzialmente le fuel cell possono trasformare in elettricita anche con la benzina... perche parli di solo idrogeno?
Per quanto suoni un ossimoro, l'auto elettrica "a benzina" potrebbe unire il meglio dei due mondi: la possibilita di usare l'infrastruttura di distribuzione energetica esistente (molti meno investimenti da "remunerare" e tempi di implmentazione ridotti a 0), emissioni ridottissime di co2 (anche inferiori a quelle della filiera energetica delle auto elettriche) e quasi 0 degli altri contaminanti (ossidi di combustione).

simonk17 Febbraio 2011, 14:38 #9
Ho sentito bene?? PLATINO!? Sbaglio o è uno dei materiali più preziosi e rari al mondo? Ma che gli dice la testa, ho capito che conduce parecchio eccetera, però platino mi pare esagerato come scelta, a parte che già li avevamo scoperti molti anni fa questi metalli e anche il grafene, solo ora ci pensano a testarli xD
bagnino8918 Febbraio 2011, 12:09 #10
Originariamente inviato da: djfix13
non serve idrogeno puro per generare elettricità...ci sono mille altri materiali che sono più facili da gestire dell'idrogeno puro....


Originariamente inviato da: brunposta
x bagnino89

Io sapevo che potenzialmente le fuel cell possono trasformare in elettricita anche con la benzina... perche parli di solo idrogeno?
Per quanto suoni un ossimoro, l'auto elettrica "a benzina" potrebbe unire il meglio dei due mondi: la possibilita di usare l'infrastruttura di distribuzione energetica esistente (molti meno investimenti da "remunerare" e tempi di implmentazione ridotti a 0), emissioni ridottissime di co2 (anche inferiori a quelle della filiera energetica delle auto elettriche) e quasi 0 degli altri contaminanti (ossidi di combustione).


Rispondo ad entrambi: esistono vari tipi di fuel cell, ma le PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell, ma esistono anche altri acronimi), che sono il punto di riferimento per l'industria dell'autotrazione, possono utilizzare solo idrogeno puro. Il motivo è piuttosto semplice: queste celle lavorano a temperature basse (60-110 °C circa), quindi per poter funzionare non soltanto necessitano di un buon catalizzatore (Pt), ma anche di idrogeno puro. Esistono poi FC che possono lavorare con altri combustibili (CH4,CH3OH...) e senza catalizzatore, come le MCFC e le SOFC, ma dato il loro basso rapporto potenza/volume e l'alta temperatura di funzionamento, non rappresentano il mercato automobilistico.

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