Produzione di energia da celle a combustibile platinum-free ad alte prestazioni
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.
Uno 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.