Un catalizzatore che lega platino con una terra rara

Stampa dell'Università di Tsinghua

immagine: Nanoparticelle di platino-lantanio che agiscono come elettrocatalizzatori per accelerare la reazione chimica in una cella a combustibile a idrogeno per produrre elettricità e acquavedere di più

Credito: Nano Research, Tsinghua University Press

I ricercatori hanno ideato un metodo per combinare il platino ad alto costo e un elemento di terre rare a basso costo, il lantanio, come una lega che fungerà da catalizzatore nella prossima generazione di celle a combustibile che ne miglioreranno le prestazioni e ne ridurranno i costi. Lo sviluppo dovrebbe rendere più semplice la decarbonizzazione dei veicoli da trasporto pesante che sono meno suscettibili all’uso di batterie per alimentarli.

Il metodo è descritto in un articolo apparso sulla rivista Nano Research il 22 settembre 2022.

Le batterie potrebbero aver vinto la battaglia contro le celle a combustibile a idrogeno per l’alimentazione pulita delle auto, ma una serie di altre forme di trasporto trovano difficile sostituire i motori a combustione interna con le batterie a causa di una serie di ostacoli come il peso e il volume delle batterie che potrebbero essere richiesti per il tipo di servizi che forniscono. Ciò è particolarmente vero per i trasporti pesanti come il trasporto marittimo, l’aviazione e gli autotrasporti a lungo raggio. In questi casi, la maggior parte degli analisti dei trasporti suggerisce che probabilmente dipenderanno invece da una sorta di carburante pulito.

Una cella a combustibile è in grado di alimentare veicoli e altre macchine trasformando l’energia chimica dell’idrogeno in elettricità, mentre gli unici altri output sono acqua e calore. Finora il tipo di cella a combustibile più comunemente utilizzata in numerosi dispositivi, dai satelliti allo Space Shuttle, è stata la cella a combustibile alcalina, la cui invenzione risale a quasi un secolo fa. È più probabile che la prossima generazione assomigli a qualcosa come la cella a combustibile a membrana elettrolitica polimerica, che utilizza anch’essa l’idrogeno per produrre elettricità, ma è molto più compatta, il che la rende particolarmente attraente per i veicoli da trasporto pesante.

La chiave per rendere tali reazioni elettrochimiche più efficienti – e quindi ridurre il costo delle celle a combustibile per renderle più competitive rispetto all’uso dei combustibili fossili – è trovare catalizzatori migliori, materiali che accelerino tali reazioni.

Sfortunatamente, di tutti questi "elettrocatalizzatori" che rendono possibile la reazione chimica chiave coinvolta (la reazione di riduzione dell'ossigeno, o ORR), il platino è di gran lunga il migliore. E il platino, un metallo raro, non è economico. Per le PEMFC in particolare, il costo incredibilmente elevato del platino ha rappresentato un grave ostacolo alla loro adozione. Il rapido degrado dopo un numero relativamente piccolo di cicli di utilizzo di questo già costoso elettrocatalizzatore nell'ambiente altamente corrosivo delle PEMFC non ha fatto altro che peggiorare la situazione.

“Quindi è aperta la caccia a un elettrocatalizzatore che sia a basso costo, più resistente al degrado e quindi stabile per periodi di tempo più lunghi, fornendo allo stesso tempo un’impressionante densità di corrente, in altre parole la quantità di corrente elettrica per unità di volume”, ha affermato Siyuan Zhu, uno degli autori dell’articolo ed elettrochimico presso l’Istituto di chimica applicata di Changchun presso l’Accademia cinese delle scienze, “e permettendoci così di mantenere la promessa della compattezza delle PEMFC”.

L'opzione principale presa in considerazione per ridurre i costi è quella di “diluire” la quantità di platino necessaria come elettrocatalizzatore legandolo con altri metalli più economici che possono favorire o addirittura migliorare le proprietà catalitiche del platino.

E i principali candidati per la lega con il platino sono stati finora i cosiddetti metalli di transizione tardiva. I metalli di transizione sono quegli elementi che trovi nel mezzo, o blocco D, della tavola periodica. Ferro, manganese e cromo sono metalli di transizione al centro del blocco centrale, mentre i metalli di transizione "tardivi", come cadmio e zinco, si trovano sul lato destro di esso.

I metalli di transizione tardiva hanno tuttavia dimostrato di non essere immuni alla dissoluzione nell'ambiente PEMFC duro e corrosivo. Ciò non solo si traduce in un costante calo delle prestazioni, ma il metallo disciolto reagisce ulteriormente con i sottoprodotti della reazione di riduzione dell'ossigeno, causando danni incontrollabili all'intero sistema.