Una mobilità all’idrogeno più verde ed economica con il platino
Studio co-condotto dal Cnr scopre come identificare i catalizzatori migliori per le celle a combustibile
[25 Luglio 2022]
Lo studio “ Experimental Sabatier plot for predictive design of active and stable Pt-alloy oxygen reduction reaction catalysts”, pubblicato su Nature Catalysis da un team di ricercatori statunitensi, cinesi e italiani – Luca Sementa, Giovanni Barcaro e alessandro Fortunelli dell’Istituto di chimica dei composti organometallici (Cnr-Iccom) e dell’Istituto per i processi chimico fisici (Cnr-Ipcf) – ha individuato il catalizzatore migliore a base di platino per aumentare le performance dei veicoli a idrogeno e potrebbe aiutare ad accelerare l’uso dell’idrogeno come fonte di energia ecologica nei trasporti e in altre applicazioni.
L’autore corrispondente Yu Huang, professore di scienze dei materiali e ingegneria all’ UCLA Samueli School of Engineering e del California NanoSystems Institute dell’UCLA, sottolinea che «Per la sostenibilità del nostro pianeta, non possiamo continuare a vivere come facciamo e reinventare l’energia è uno dei modi principali per cambiare il nostro percorso. Abbiamo auto a celle a combustibile, ma dobbiamo renderle più economiche. In questo studio, abbiamo escogitato un approccio per consentire ai ricercatori di identificare i catalizzatori giusti molto più velocemente».
Al Consiglio nazionale delle ricerche ricordano che «L’utilizzo dei motori a idrogeno rappresenta una possibilità di sviluppo della mobilità in chiave green, perché permetterebbe la riduzione dell’inquinamento prodotto dai gas di scarico dei mezzi di trasporto». Partendo dai dati disponibili, il team internazionale di ricerca, ha individuato «Le caratteristiche critiche, i cosiddetti descrittori, dei materiali utilizzabili nei dispositivi con celle a combustibile d’idrogeno, che consentono di identificare il materiale maggiormente performante».
Le celle a combustibile producono energia utilizzando l’ossigeno dell’atmosfera e l’idrogeno. Un passaggio chiave nel processo consiste nell’utilizzare un catalizzatore per rompere i legami tra coppie di atomi di ossigeno. I catalizzatori che funzionano meglio sono fortemente attivi, al fine di guidare la reazione, pur essendo abbastanza stabili da essere utilizzati per lunghi periodi di tempo. E per coloro che progettano celle a combustibile, trovare i catalizzatori migliori è stata una grossa sfida. Il platino è l’elemento migliore per questo scopo, ma la sua rarità rende l’adozione di questa tecnologia su vasta scala proibitivamente costosa. Una lega che combini il platino con uno o più metalli facilmente accessibili ridurrebbe i costi, ma non c’è mai stato un metodo pratico e reale per selezionare rapidamente quale lega sarebbe il miglior catalizzatore. Quidi, finora i progressi nella tecnologia sono stati attuati attraverso tentativi ed errori.
Il team ha sviluppato un metodo per prevedere la potenza e la stabilità delle leghe di platino, due indicatori chiave di come si comporteranno come catalizzatori nelle celle a combustibile a idrogeno. Quindi, utilizzando quella tecnica, ha progettato e prodotto una lega che ha dato risultati eccellenti in condizioni che si avvicinano all’utilizzo nel mondo reale. La ricerca è stata svolta dal Cnr in collaborazione con le università della California – Los Angeles (UCLA), Irvine e Northeastern University di Boston, il California Institute of Technology di Pasadena, il Brookhaven National Laboratory di Upton e la Fuzhou University cinese.
Fortunelli, del Cnr-Iccom, che ha co-diretto lo studio, spiega che : «I catalizzatori normalmente utilizzati non soddisfano i requisiti necessari in termini di efficienza e durabilità. Individuando appropriati descrittori per questo processo, siamo stati in grado di sviluppare nuovi catalizzatori, che sono risultati essere i più promettenti per l’uso in celle a idrogeno, visto che sono molto più duraturi e hanno prestazioni vicine a quelle di picco. Questo tipo di celle sono dispositivi chiave per una futura economia basata sull’idrogeno come vettore di energia. Se riusciremo a ridurre la quantità di metallo prezioso presente nei catalizzatori e a minimizzarne le perdite in uso operativo, sarà possibile sostituire non solo le vecchie marmitte catalitiche, ma anche le nuove auto elettriche, con dispositivi che generano acqua come prodotto finale della combustione. Questa ricerca potrà essere un tassello importante per arrivare alla decarbonizzazione del trasporto pubblico e privato, portando così una diminuzione drastica dell’inquinamento e del riscaldamento globale. Questo è un passo avanti decisivo verso la progettazione razionale, fino alla scala microscopica, di catalizzatori con prestazioni ottimali. Nessuno ha mai escogitato un metodo, teorico o sperimentale, per prevedere la stabilità dei catalizzatori in lega di platino».
All’UCLA spiegano ancora: «Il nuovo metodo prevede sia la potenza che la stabilità dei catalizzatori in lega di platino. È stato sviluppato utilizzando una combinazione di esperimenti, computazione complessa e spettroscopia a raggi X, che ha consentito ai ricercatori di identificare con precisione le proprietà chimiche.
I ricercatori hanno quindi creato catalizzatori che combinano quantità precise di platino, nichel e cobalto in una struttura e configurazione atomica specifiche in base alla loro misura sperimentale. Hanno dimostrato che la lega che hanno progettato è sia altamente attiva che altamente stabile, una combinazione rara ma tanto necessaria per i catalizzatori delle celle a combustibile».
Secondo Huang, «Il metodo potrebbe essere applicato a potenziali catalizzatori che mescolano platino con un sottoinsieme di metalli oltre al nichel e al cobalto. La collaborazione con scienziati e ingegneri di altre istituzioni è stata fondamentale per il successo dello studio. In mancanza di uno di questi partner, questo lavoro sarebbe stato impossibile. Per una collaborazione a lungo termine guidata dalla curiosità come questa, la cosa più importante è avere le persone giuste. Ognuno di noi era concentrato nello scavare in profondità e nel cercare di capire cosa stava succedendo. Ha anche aiutato il fatto che questa fosse un team divertente con cui lavorare».
Ora, il team di Huang sta collaborando con Toyota Motor Corp. per sviluppare catalizzatori per celle a combustibile con possibili applicazioni nel mondo reale.