Plasmare il platino in forma di nanofili “dentellati” e usarlo come catalizzatore nelle celle a idrogeno ne moltiplica l’efficienza e ne riduce drammaticamente i costi.

Una collaborazione internazionale che comprende un ricercatore del CNR-ICCOM sviluppa un metodo che riduce di 50 volte la quantità di platino necessaria rispetto ai catalizzatori correnti.

Nanofili “dentellati” di platino sono ottenuti rimuovendo nickel da nanofili regolari in lega platino-nickel.

Una collaborazione internazionale che comprende un ricercatore del CNR-ICCOM assieme a colleghi americani e cinesi ha mostrato come plasmando il platino in forma di nanofili con superfici irregolari (“dentellate” o “jagged” in inglese) si possa ridurre di 50 volte la quantità di questo metallo prezioso nei catalizzatori delle celle a combustibile a idrogeno e quindi abbatterne drammaticamente i costi e rendere possibile ad es. lo sviluppo economico delle auto a idrogeno. Le celle a idrogeno sono dispositivi in cui si realizza la reazione controllata di idrogeno e ossigeno per produrre elettricità, generando solo acqua pura come sottoprodotto. Rappresentano quindi una delle possibilità più attraenti di una tecnologia pulita e rinnovabile per risolvere il problema del trasporto su autoveicoli, evitando l’uso dei combustibili di origine fossile come la benzina e quindi l’emissione di prodotti della combustione quali l’anidride carbonica nell’ atmosfera che sono responsabili di inquinamento e riscaldamento globale. Le celle a idrogeno per funzionare hanno bisogno di catalizzatori, cioè di sostanze che accelerano le reazioni elettrochimiche così da produrre l’energia necessaria con potenza sufficiente, soprattutto al catodo dove avviene la reazione di riduzione dell’ossigeno. Al momento catalizzatori a base di platino, elemento raro e prezioso, sono gli unici che raggiungono efficienze vicine a quelle richieste, ma la quantità di platino utilizzato è talmente elevata da renderne impossibile la diffusione a livello globale per motivi di costo e di sostenibilità (usando la tecnologia attualmente disponibile l’abbondanza di platino sulla terra non è sufficiente da consentire di costruire un miliardo di marmitte catalitiche a idrogeno). Ciascuna delle principali industrie automobilistiche investe quindi circa duecento milioni di euro all’ anno in ricerca per sviluppare macchine a idrogeno, e uno dei pochi problemi chiave da risolvere è appunto lo sviluppo di catalizzatori da usare nelle celle a idrogeno molto più efficienti di quelli attuali.

In uno studio pubblicato giovedì 17 novembre 2016 scorso sulla rivista Science, il gruppo di ricercatori ha mostrato come plasmando il platino in forma di fili di dimensioni nanometriche (“nanofili”) con struttura caratteristica irregolare “dentellata” (“jagged” in inglese) rispetto a quella più regolare realizzata finora si creino nuovi tipi di siti catalitici altamente attivi che riducono le barriere e accelerano la reazione di riduzione dell’ossigeno aumentando così enormemente l’efficienza catalitica. Questo, assieme alla dimensione nanometrica di questi fili tale che la maggior parte del platino è alla superficie invece che all’ interno della struttura dove sarebbe inutile ai fini catalitici, fa sì che la quantità di platino necessaria per realizzare una cella a idrogeno si riduca di 50 volte rispetto ai catalizzatori attuali, abbattendo drammaticamente i costi e rendendo in linea di principio compatibile la diffusione a livello globale di celle a idrogeno coll’ abbondanza naturale di questo metallo prezioso e raro.

Secondo Alessandro Fortunelli del CNR-ICCOM di Pisa, co-autore di questo studio, “questo lavoro è un esempio perfetto di come ricerche a livello fondamentale che portino a una comprensione microscopica dei processi possano permettere dei progressi da gigante nel campo delle nanotecnologie con effetti benefici per l’ambiente e la società in generale. Il presente studio è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia e dalla National Science Foundation americane, ma va ricordato come le sue basi teoriche siano state gettate in uno studio precedente realizzato in collaborazione con alcuni degli attuali co-autori, e reso possibile da una Short-Term Mobility del CNR”.

Oltre a CNR-ICCOM, le altre istituzioni coinvolte in questo studio sono la University of California at Los Angeles (Los Angeles, USA), il California Institute of Technology (Pasadena, USA), la Tsinghua University (Pechino, Cina), l’Accademia delle Scienze cinese (Pechino, Cina), la California State University (Long Beach, USA), la Northeastern University (Boston, USA), e il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkley, CA, USA).

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Grazie a innovativi elettrocatalizzatori anodici a base di palladio nanostrutturato, sono state realizzate le prime celle a combustibile interamente platinum-free che rilasciano una densità di potenza superiore a 500 mW cm-2. Il loro impiego potrebbe rilanciare la tecnologia dell’idrogeno per auto e generatori di energia portatili a “zero emissioni” di inquinanti. La ricerca è stata coordinata dall’ICCOM-Cnr di Firenze.

Una cella a combustibile è un dispositivo capace di trasformare direttamente l’energia chimica contenuta in un combustibile (in questo caso idrogeno) direttamente in energia elettrica e solo acqua come materiale di scarto. Uno dei più grandi ostacoli alla diffusione su larga scala delle celle a combustibile a “zero emissioni” di inquinanti, è il loro alto costo. Recenti analisi hanno mostrato che il 45% del costo è dovuto all’elettrocatalizzatore di platino (circa 49$/kW). Il platino è un metallo molto costoso, scarsamente disponibile in natura e non basterebbe per tutte le auto in circolazione, se esse fossero munite di celle a combustibile alimentate con idrogeno. La completa rimozione del platino dalle celle a combustibile, e la sua sostituzione con metalli meno costosi e più abbondanti in natura, è stata tentata con scarsi risultati.

Un’alternativa alle Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEM-FC) a base di platino, che operano in condizioni acide molto corrosive, potrebbe essere rappresentata dalle celle a combustibile a membrana a scambio anionico (AEM-FC), ma finora i tentativi di realizzare celle platinum-free altamente performanti hanno avuto scarso successo. Infatti, a causa della lenta cinetica di ossidazione dell’idrogeno in ambiente basico, solo poche decine di mWcm-2 sono state ottenute. Questa potenza è troppo bassa se paragonata alle celle commerciali per auto a idrogeno e sistemi portatili a base di platino che rilasciano fino a 800 mW cm-2.

H. Miller e F. VizzaUno studio condotto all’ICCOM-Cnr di Firenze da un team coordinato da Francesco Vizza e Hamish Miller, in collaborazione con l‘Institute of Technology di Haifa (Israele), la compagnia CellEra israeliana, l’IOM-Cnr, l’ISTM-Cnr, l’European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble e l’Università di Firenze, ha mostrato che celle a combustibile platinum-free possono rilasciare densità di potenze superiori a 500 mW cm-2. Il risultato della ricerca è stato pubblicato su Angewandte Chemie International Edition (DOI:10.1002/anie.201600647). Gli autori hanno scoperto che un elettrodo anodico, costituito da nanoparticelle di palladio supportate su un composito di Vulcan XC-72 e ossido di cerio (CeO2), esibisce un’alta cinetica di ossidazione dell’idrogeno in ambiente alcalino. La struttura del catalizzatore, che permette l’intimo contatto del palladio con la ceria, favorisce la rottura del legame idrogeno-idrogeno e l’inserzione degli ioni ossidrili sul palladio, accelerando il processo di liberazione di elettroni e quindi la produzione di corrente elettrica nella cella a combustibile.

La Associazione Internazionale delle Società di Catalisi (IACS, http://www.iacs-icc.org/), su proposta di un comitato internazionale di selezione, ha assegnato al Professor Paolo Fornasiero dell’Università degli Studi di Trieste e associato all’Istituto ICCOM-CNR il prestigioso premio internazionale IACS Heinz Heinemann 2016 per il significativo contributo dato negli ultimi 4 anni allo sviluppo della catalisi. La motivazione fa specifica menzione del ruolo del Professor Fornasiero nello sviluppo di catalizzatori nanostrutturati. Il premio, che viene assegnato ogni 4 anni, verrà consegnato durante il 16° Congresso Internazionale di Catalisi (ICC, http://www.icc2016china.com/en/), che si terrà a Beijing in Cina agli inizi di luglio, durante il quale il Professor Fornasiero terrà una lezione plenaria sui suoi recenti risultati di ricerca. Si tratta di un riconoscimento di notevole valore che testimonia la rilevanza internazionale delle attività di ricerca nel campo della catalisi svolte nell’ambito dell’Unità di Ricerca presso Terzi ICCOM-CNR di Trieste, della quale è responsabile scientifico il Professor Fornasiero dal 2008. Nel 2012 il premio era stato assegnato al Prof. Graham Hutchings, direttore del Cardiff Catalysis Institute, dell’università inglese di Cardiff mentre nel 2008 al Prof. James A. Dumesic, del Department of Chemical and Biological Engineering dell’Università americana del Wisconsin – Madison. Entrambi i precedenti vincitori sono scienziati di primissimo piano nel campo della catalisi.

Altre informazioni: http://axial.acs.org/2016/04/11/heinz-heinemann-paolo-fornasiero/

Il Dr. Giuliano Giambastiani (ICCOM Sesto Fiorentino) è stato recentemente insignito del Lee Hsun Research Award on Material Science per il suo contributo allo sviluppo della scienza e tecnologia dei materiali. L'award è conferito dall'Institute of Metal Research (IMR), uno dei più importanti centri di eccellenza della Chinese Academy of Sciences (CAS) con sede in Shenyang. Il premio è dedicato ai ricercatori che hanno contribuito in maniera significativa alla scienza ed ingegneria dei materiali nonché alla promozione della cooperazione scientifica con i ricercatori Cinesi. L'award prevede, oltre ad una cerimonia di premiazione, una lecture che sarà tenuta dal Dr. Giambastiani presso IMR nella seconda metà del 2016.

Maurizio Peruzzini, direttore dell'Istituto di Chimica dei Composti Organo Metallici, si è aggiudicato un prestigioso ECR Advanced Grant con il progetto dal titolo “Phosphorene functionalization: a new platform for advanced multifunctional materials”, acronimo PHOSFUN. Il progetto è stato costruito mettendo insieme un gruppo di ricercatori CNR composto da chimici esperti nella reattività del fosforo elementare e fisici con competenze di livello nella determinazione delle proprietà fisico-chimiche di sistemi nanostrutturati e nell’allestimento di nanodevices. Il progetto coinvolge due istituti del Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologia dei Materiali, ICCOM (Sesto Fiorentino), che è la host istitution, e ISMN (Bologna). Completa la squadra un gruppo di fisici dell’istituto NANO (Pisa).

ERC Advanced Grant (ERC AG) è destinato a finanziare ricercatori di eccellenza che propongono progetti innovativi in grado di aprire nuovi campi di ricerca. Nel 2015 le proposte presentate sono state quasi 2300 e di queste solo 190 (di cui solo 11 assegnate a laboratori di ricerca italiani) quelle finanziate. PHOSFUN è l’unico ERC AG vinto dal CNR in questa call ed il secondo in assoluto che assegnato a ricercatori del CNR.

Il fosforene è un materiale 2D costituito da un singolo strato ordinato di atomi di fosforo e può essere preparato per esfoliazione del fosforo nero, una delle forme cristalline del fosforo elementare. I materiali 2D hanno attratto da alcuni anni un grande interesse per il loro potenziale uso in differenti ambiti. Fra questi, il più noto, il grafene, capostipite della famiglia, ha monopolizzato l'attenzione di fisici e chimici per la combinazione di proprietà strutturali e funzionali. La sua effettiva applicabilità in micro e nanoelettronica si è poi dimostrata fortemente limitata essendo il grafene un conduttore. Questa limitazione potrebbe essere superata utilizzando il fosforene, che è un semiconduttore dotato band gap naturale proporzionale al numero di strati di atomi di fosforo, ovvero al numero di “foglietti” 2D impilati l’uno sull’altro. Questa caratteristica permette quindi di modulare la risposta di un dispositivo micro- o nano elettronico in funzione del numero di strati del materiale.

Lo scopo del progetto PHOSFUN è quello di realizzare in primis protocolli di sintesi scalabili e riproducibili di mono e multistrato fosforene, quindi di funzionalizzare il materiale con gruppi organici ed inorganici. Il doping del fosforene fornirà nuovi strati 2D con eteroatomi. La funzionalità di questi materiali innovativi 2D verrà convalidata utilizzando derivati del fosforene su piattaforme per dispositivi in applicazioni nella scienza dei materiali, catalisi, microelettronica e in dispositivi optoelettronici.

I risultati del progetto forniranno una panoramica su come le proprietà chimiche e fisiche del fosforene possono essere modulate. Questo amplierà enormemente le conoscenze fondamentali sui materiali a base di fosforo e aprirà la strada a nuove applicazioni.

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