I ricercatori sviluppano un catalizzatore selettivo che frena la corrosione nelle celle a combustibile automobilistiche

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Yong-Tae Kim e dal dottorando Sang-Hoon You presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH) ha sviluppato un catalizzatore selettivo che frena la corrosione nelle celle a combustibile utilizzate per le automobili alimentate a idrogeno.

Adattando la reazione di ossidazione dell'idrogeno in modo che corrisponda alla concentrazione di idrogeno nella cella a combustibile, il team è riuscito a ostacolare la corrosione delle celle a combustibile. La ricerca è stata pubblicata su ACS Energy Letters.

Le celle a combustibile sono suscettibili a numerosi fattori che ne deteriorano la durata. Uno di questi è il degrado, soprattutto nel catalizzatore catodico, che è regolarmente esposto agli eventi di avvio e spegnimento delle automobili. Durante il normale funzionamento del veicolo, le celle a combustibile ricevono una fornitura costante di idrogeno ad alta concentrazione, ma la concentrazione di idrogeno diminuisce temporaneamente quando l'auto viene spenta o avviata. Di conseguenza, quando l’aria esterna si mescola con l’idrogeno all’interno delle celle a combustibile, viene innescata una reazione involontaria di riduzione dell’ossigeno nell’anodo, portando a improvvisi salti di potenziale e corrosione del carbonio nel catodo.

Sinistra. Nell'immagine è raffigurato lo spillover dell'idrogeno, in cui TiO2 subisce la trasformazione in TiOOH in condizioni di elevata concentrazione di idrogeno, che promuove la mobilità dell'idrogeno sulla superficie e di conseguenza produce conduttività. Giusto. L'immagine mostra che in condizioni di concentrazione di idrogeno relativamente bassa, la forte interazione tra Pt e TiO2 porta alla copertura del Pt da parte del TiO2. Credito: POSTECH

Il gruppo di ricerca ha progettato un catalizzatore (Pt/TiO2), costituito da platino (Pt) depositato su biossido di titanio (TiO2), che arresta efficacemente la corrosione nelle celle a combustibile utilizzate nelle automobili alimentate a idrogeno. Le prestazioni di questo elettrocatalizzatore derivano dalla forte interazione tra biossido di titanio e platino e dalla capacità dello spillover di idrogeno di modificare la conduttività superficiale del materiale in risposta alla concentrazione di idrogeno nelle sue vicinanze.

Quando un veicolo si ferma o riparte improvvisamente, la concentrazione di idrogeno nel carburante diminuisce di conseguenza. Come conseguenza di questa riduzione della concentrazione di idrogeno, si verifica un'espansione del biossido di titanio sul platino, che fa sì che il platino venga sepolto sotto la superficie del catalizzatore. Questo seppellimento del platino, causato dall'espansione del biossido di titanio, trasforma infine il catalizzatore in un isolante a causa della bassa conduttività del biossido di titanio.

Questo effetto isolante ostacola la capacità del catalizzatore di condurre elettricità, impedendo così una riduzione indesiderata di ossigeno che potrebbe causare improvvisi salti di potenziale nel catodo.

Al contrario, durante il funzionamento standard, la concentrazione di idrogeno rimane elevata. In condizioni di concentrazione di idrogeno così elevate, il platino altamente conduttivo viene esposto sulla superficie del catalizzatore e si verifica la riduzione del biossido di titanio, che promuove la mobilità dell'idrogeno sulla superficie del catalizzatore. Questo fenomeno, chiamato spillover dell’idrogeno, migliora il flusso di corrente e aumenta la reazione di ossidazione dell’idrogeno.

Il gruppo di ricerca ha inoltre eseguito un test di simulazione per confrontare il catalizzatore appena sviluppato e i catalizzatori convenzionali. I risultati dei test hanno dimostrato che le celle a combustibile che utilizzano il catalizzatore Pt/TiO2 hanno mostrato una durata tre volte superiore rispetto alle celle a combustibile tradizionali.

Questo studio è stato condotto con il supporto del Future Material Discovery Program, del Hydrogen Energy Innovative Technology Development Project e del Mid-career Researcher Program della National Research Foundation of Korea.

Risorse

Sang-Hoon You, Sang-Mun Jung, Kyu-Su Kim, Jinhyeon Lee, Jinkyu Park, Ho Yeon Jang, Sangyong Shin, Hyunjoo Lee, Seoin Back, Jinwoo Lee e Yong-Tae Kim (2023) "Maggiore durabilità del settore automobilistico Celle a combustibile tramite implementazione della selettività mediante spillover dell'idrogeno sulla superficie dell'elettrocatalizzatore" ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 doi: 10.1021/acsenergylett.2c02656