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FP7

CHIPCAT — Risultato in breve

Project ID: 310191
Finanziato nell'ambito di: FP7-NMP
Paese: Repubblica ceca
Dominio: Ricerca di base

Celle a idrogeno meno preziose e più efficienti

Per aumentare l’efficienza in termini di costi delle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), dopo aver scoperto i meccanismi alla base della catalisi a singolo atomo e aver sfruttato i suoi benefici, ricercatori finanziati dall’UE hanno progettato una nuova famiglia di catalizzatori a film sottile.
Celle a idrogeno meno preziose e più efficienti
Le PEMFC usano una membrana polimerica acida a base d’acqua quale loro elettrolita assieme a elettrodi basati sul platino (Pt). L’idrogeno come combustibile è trasformato sulla superficie di un catalizzatore basato sul platino all’anodo dove gli elettroni vengono separati dai protoni. I protoni passano attraverso la membrana prima di raggiungere il lato del catodo della cella.

Sul lato del catodo, l’elettrodo del prezioso metallo combina protoni ed elettroni con ossigeno, e si produce così l’acqua che viene eliminata come unico prodotto di scarto. Nello specifico, l’ossigeno può essere prodotto in una forma purificata o estratto all’elettrodo direttamente dall’aria.

Il progetto CHIPCAT (Design of thin-film nanocatalysts for on-chip fuel cell technology), finanziato dall’UE, è stato lanciato per cercare un’alternativa fattibile all’uso di nanoparticelle di platino. In quanto metallo prezioso, il platino accresce il prezzo delle celle a idrogeno, costituendo fino al 50 % del loro costo di fabbricazione.

Durante il progetto quadriennale, i ricercatori hanno esaminato differenti aspetti della tecnologia di deposizione fisica. I tipici procedimenti industriali di fabbricazione dell’elettrodo prevedono delle fasi bagnate, che sono incompatibili con la tecnologia dei dispositivi elettronici basati sul silicio.

“Per massimizzare l’efficienza del platino usato nelle celle a combustibile sono stati proposti dei catalizzatori a film sottile con ossidi di cerio dopati al platino (Pt-CeOx), per i quali sono state presentate delle domande di brevetto prima di CHIPCAT”, spiega il dott. Daniel Mazur dell’Università Carolina di Praga, Repubblica ceca, ricercatore e responsabile della gestione del progetto.

I nuovi nanocatalizzatori a film sottile sono formati da atomi di platino, prevalentemente in stato ionico, dispersi all’interno di una matrice di un ossido riducibile, ovvero il cerio. I cristalliti di ossido hanno diametri di pochi nanometri per garantire che la maggioranza degli atomi di platino finiscano sulle superfici dei cristalliti e siano cataliticamente attivi.

“Abbiamo dovuto convincere noi stessi ed altri che questo composto funziona come previsto. Dopo questa fase abbiamo dovuto scoprire i meccanismi chiave che fanno sì che questi nanocatalizzatori funzionino, in modo da poterli affinare e poter trovare degli additivi per sfruttarli al meglio,” ricorda il dott. Mazur.

Egli sottolinea che “per riuscire a raggiungere gli obiettivi del progetto si sono dovuti effettuare molti esperimenti su materiali semplificati e sofisticati modelli di calcolo.”

Il dott. Mazur ha fatto inoltre notare che “alla fine, i nostri risultati pubblicati hanno indicato che i nuovi catalizzatori sono in grado di durare più a lungo di quelli convenzionali, poiché gli atomi di platino dispersi difficilmente si fondono del tutto e, di conseguenza, mantengono le prestazioni originali fintanto che i supporti (materiale carbonaceo) reggono”.

Inoltre ha aggiunto: “Con l’utilizzo di microscopi elettronici a trasmissione ad alta risoluzione, noi siamo stati alla fine in grado di visualizzare i singoli atomi di platino integrati nei cristalliti di cerio. Queste prove sono state richieste per lungo tempo dai nostri colleghi scientifici, che non erano convinti dalla nostra affermazione relativa alla natura ‘atomicamente dispersa’ del catalizzatore.”

Notevoli sforzi sono stati anche dedicati alla costruzione di una cella a combustibile in miniatura, in modo che potesse essere inserita in un dispositivo a circuito integrato. I ricercatori hanno progettato un sistema su un chip, in cui l’idrogeno scorre attraverso canali microfluidici incisi su un chip su wafer di silicio.

Tuttavia, “la geometria differente in confronto alla struttura a sandwich delle PEMFC convenzionali ha significato che solo i processi sui bordi del canale contribuiscono alle prestazioni della micro cella a combustibile. Questo limita le sue prestazioni e la quantità di potenza che può essere raccolta”, ha detto il dott. Mazur.

Sono state proposte diverse strategie per superare questa grave barriera, inclusa una in cui il catalizzatore era depositato sulla membrana invece che sulle pareti del canale.

Le scoperte di CHIPCAT sono descritte in oltre 60 articoli scientifici pubblicati in riviste a revisione paritaria di alto impatto, tra cui Nature Communications e Nature Materials. Queste pubblicazioni documentano la profonda comprensione ottenuta dei processi che avvengono nei materiali studiati, che era fondamentale per raggiungere i risultati finali.

Sono stati compiuti i primi passi verso la commercializzazione della nuova tecnologia del catalizzatore a film sottile. “L’Università Carolina di Praga, il coordinatore del progetto, in collaborazione con il Jablotron Group ha creato un’iniziativa derivata sotto la direzione del prof. Vladimír Matolín (detentore dei brevetti menzionati in precedenza)”, ha detto il dott. Mazur.

L’azienda LEANCAT s.r.o. sta già offrendo i nanocatalizzatori atomici come prodotto. Allo stesso tempo, essi stanno fabbricando e vendendo stazioni di collaudo della cella a combustibile che sono state sviluppate all’Università Carolina quale parte del progetto CHIPCAT.

Keywords

Idrogeno, celle a combustibile con membrana a scambio protonico, catalisi a singolo atomo, platino, CHIPCAT