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Possibile passo verso un’energia a base di idrogeno più economica: previsione delle prestazioni dei catalizzatori nelle celle a combustibile

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Il gruppo di ricerca sta ora collaborando con Toyota Motor Corp. sviluppare catalizzatori per celle a combustibile con possibili applicazioni nel mondo reale. (Nella foto: concept car Toyota a celle a combustibile a idrogeno, 2019.) . Credito: Unsplash/Darren Halstead

Uno studio condotto dai ricercatori dell’UCLA potrebbe aiutare ad accelerare l’uso dell’idrogeno come fonte di energia ecologica nei trasporti e in altre applicazioni.

Il team ha sviluppato un metodo per prevedere la potenza e la stabilità delle leghe di platino, due indicatori chiave di come si comporteranno come catalizzatori nelle celle a combustibile a idrogeno. Quindi, utilizzando quella tecnica, hanno progettato e prodotto una lega che ha prodotto risultati eccellenti in condizioni che si avvicinano all’uso nel mondo reale. I risultati sono pubblicati sulla rivista Catalisi della natura.

“Per la sostenibilità del nostro pianeta, non possiamo continuare a vivere come facciamo e reinventare l’energia è uno dei modi principali per cambiare il nostro percorso”, ha affermato l’autore corrispondente Yu Huang, professore di scienze dei materiali e ingegneria presso la UCLA Samueli School di Ingegneria e membro del California NanoSystems Institute dell’UCLA. “Abbiamo auto a celle a combustibile, ma dobbiamo renderle più economiche. In questo studio, abbiamo escogitato un approccio per consentire ai ricercatori di identificare i catalizzatori giusti molto più velocemente”.

Le celle a combustibile generano energia utilizzando l’ossigeno dell’atmosfera e l’idrogeno. Un passaggio chiave nel processo consiste nell’utilizzare un catalizzatore per rompere i legami tra coppie di atomi di ossigeno. I catalizzatori che funzionano meglio sono altamente attivi, al fine di guidare la reazione, pur essendo abbastanza stabili da essere utilizzati per lunghi periodi di tempo. E per coloro che progettano celle a combustibile, trovare i migliori catalizzatori è stata una sfida importante.

Il platino è l’elemento migliore per lo scopo, ma la sua rarità rende la tecnologia proibitivamente costosa per l’adozione su larga scala. Una lega che combina il platino con uno o più metalli facilmente accessibili ridurrebbe i costi, ma non c’è mai stato un metodo pratico e reale per selezionare rapidamente quale lega sarebbe il miglior catalizzatore.

Di conseguenza, finora i progressi nella tecnologia sono arrivati ​​attraverso tentativi ed errori.

“Questo è un passo avanti decisivo verso la progettazione razionale, fino alla scala microscopica, di catalizzatori con prestazioni ottimali”, ha affermato Alessandro Fortunelli del Consiglio nazionale delle ricerche italiano, co-autore dell’articolo. “Nessuno ha mai escogitato un metodo, teorico o sperimentale, per prevedere la stabilità dei catalizzatori in lega di platino”.

Il nuovo metodo prevede sia la potenza che la stabilità dei catalizzatori in lega di platino. È stato sviluppato utilizzando una combinazione di esperimenti, computazione complessa e spettroscopia a raggi X, che ha consentito ai ricercatori di identificare con precisione le proprietà chimiche.

I ricercatori hanno quindi creato catalizzatori che combinano quantità precise di platino, nichel e cobalto in una struttura e configurazione atomica specifiche in base alla loro misura sperimentale. Hanno dimostrato che la lega che hanno progettato è sia altamente attiva che altamente stabile, una combinazione rara ma tanto necessaria per i catalizzatori delle celle a combustibile.

Huang ha affermato che il metodo potrebbe essere applicato a potenziali catalizzatori che mescolano platino con un sottoinsieme di metalli oltre al nichel e al cobalto.

Gli altri autori co-corrispondenti del documento sono il chimico Qingying Jia della Northeastern University e il teorico William Goddard del Caltech. Huang, il cui laboratorio dell’UCLA era il principale responsabile della progettazione e del test del catalizzatore, ha affermato che la collaborazione con scienziati e ingegneri di altre istituzioni è stata fondamentale per il successo dello studio.

“In mancanza di uno di questi partner, questo lavoro sarebbe impossibile”, ha detto. “Per una collaborazione a lungo termine guidata dalla curiosità come questa, la cosa più importante è avere le persone giuste. Ognuno di noi si è concentrato sullo scavare in profondità e cercare di capire cosa sta succedendo. Ha anche aiutato il fatto che questo è stata una squadra divertente con cui lavorare”.


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