Nuovi catalizzatori ad alte prestazioni

Un team di scienziati ha concepito dei metodi di sintesi su larga scala destinati a catalizzatori monocostruiti per cellule a combustibile alcalino.

Le celle a combustibile alcalino (AFC) convertono l'energia chimica dell'idrogeno e dell'ossigeno in energia elettrica, pur producendo acqua solo come sottoprodotto. Questo li rende una fonte energetica di prossima generazione estremamente attraente e rispettosa dell'ambiente. I catalizzatori di platino sono generalmente impiegati in costose celle a combustibile alcalino con le quali si sperimentano le sfide legate alla loro stabilità.

Di conseguenza, i catalizzatori monocromatici (SACs), come formato su supporti in carbonio, stanno diventando candidati promettenti come alternativi catalizzatori di prossima generazione. Tuttavia, la commercializzazione di questi catalizzatori di singolo atomo è difficile a causa dei complessi metodi di sintesi convenzionalmente impiegati nella loro produzione. Questi complessi processi prevengono l'incollaggio di atomi metallici, che sono associati al degrado delle prestazioni del catalizzatore.

Nel lavoro, pubblicato su Small Methods (1) e svolto dal team di ricerca guidato dal dottor Nam Dong Kim (2) del Functional Composite Materials Research center del Korea Institute of Science and Technology (egli è il presidente del KIST, Seok-Jin Yoon (3)) e il dottor Sung Jong Yoo (4) del Hydrogen-Fuel Cell Research center, gli archi elettrici sono stati utilizzati per produrre catalizzatori singoli a base di cobalto ad alte prestazioni. Qui, il nuovo uso degli archi elettrici, che sono utilizzati principalmente nella saldatura elettrica, hanno portato allo sviluppo di una tecnologia originale che può produrre catalizzatori a basso contenuto di cobalto, a basso costo e ad alte prestazioni su scala commerciale (10 g/h).

I catalizzatori sviluppati hanno dimostrato di avere più del doppio delle capacità di riduzione dell'ossigeno e più di 10 volte la durata dei catalizzatori tradizionali del platino. Questi nuovi catalizzatori a base di cobalto sono risultati significativamente migliori dei catalizzatori basati sul cobalto esistenti se applicati alle celle del carburante effettivo.

Questo studio si è concentrato sulla decomposizione di elementi nel loro stato atomico impiegando archi elettrici, seguiti dalla loro successiva ricombinazione allo stato ad alta energia all'interno dell'arco elettrico. Dopo aver mescolato il metallo selezionato e i materiali di carbonio, i metalli sono stati decomposti negli atomi utilizzando un arco elettrico. Durante la ricombinazione, questi atomi di metallo hanno riempito gli spazi nel reticolo altamente cristallino, nanocarbonato, implicando che il catalizzatore potesse essere sintetizzato senza aggregazione. I risultati hanno anche indicato che questo metodo denominato single-atom catalyst synthesis era applicabile a vari metalli di transizione, tra cui platino, cobalto, manganese, nichel e ferro.

Il dottor Nam Dong Kim di Kist ha detto: «Questo studio dimostra come siamo stati in grado di utilizzare catalizzatori più economici in alternativa a costosi catalizzatori di platino migliorando la funzione e la durata della cella del combustibile alcalino. Ci aspettiamo che l'applicazione di questi catalizzatori si estenderà oltre i processi di progettazione e produzione di celle a combustibile alcalina della prossima generazione, a vari altri sistemi di conversione elettrochimica, che contribuiranno notevolmente all'istituzione di neutralità del carbonio e dell'economia dell'idrogeno».

La Corea istituto di scienza e tecnologia (Kist). Fondata come primo istituto di ricerca finanziato dal governo multidisciplinare in Corea, Kist ha stabilito una strategia di sviluppo nazionale basata sulla scienza e la tecnologia e diffuse varie tecnologie industriali essenziali. Ora, mezzo secolo dopo, Kist eleva lo status della Corea nel campo della scienza e della tecnologia attraverso la tecnologia fondamentale leader a livello mondiale R & S. Guardando al futuro, Kist continuerà a sforzarsi di essere un premier istituto di ricerca, perseguendo un futuro più luminoso per la Corea e tutta l'umanità. (5)

La ricerca è stata sostenuta dal Ministero della Scienza e delle TIC e dal programma di ricerca istituzionale di Kist, Programma di sostegno per i ricercatori del Mediatore per i ricercatori nazionali della ricerca sulla base della Corea e del programma di ricerca per far fronte ai cambiamenti climatici e il progetto regionale del Centro di ricerca.

Riferimenti:

(1) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts

(2) Nam Dong Kim

(3) Korea Institute of Science and Technology - KDFuelCell

(4) Sung Jong Yoo

(5) Korea Institute of Science and Technology(KIST)

Descrizione foto: Uno schema di una singola sintesi di catalizzatore atomico con arco elettrico. - Credit: Korea Institute of Science and Technology (KIST).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Large-scale synthesis methods for single-atom catalysts for alkaline fuel cells