Obiettivo 3: Celle a Combustibile
REFERENTE/I
Irene Gatto – CNR
irene.gatto@cnr.it
Attività
L’attività è volta a sviluppare celle a combustibile di nuova generazione, basate su membrane a scambio anionico (AEMFC) e protonico (PEMFC), più efficienti, stabili e sostenibili. Il lavoro integra sintesi e caratterizzazione sperimentale, modellazione computazionale e successiva validazione in cella.
Sono stati sviluppati elettrocatalizzatori per le reazioni di riduzione dell’ossigeno (ORR), sia in ambiente acido che alcalino, e per l’ossidazione dell’idrogeno (HOR) in ambiente alcalino, utilizzando materiali a singolo atomo, leghe metalliche e ossidi. E’ stato messo a punto un approccio computazionale multiscala per comprendere e ottimizzare la struttura e le prestazioni dei materiali.
Parallelamente sono state sviluppate membrane polimeriche a scambio anionico, anche utilizzando liquidi ionici e materiali innovativi, studiandone stabilità termica, chimica e meccanica, conducibilità degli ioni OH⁻ e trasporto dei gas. L’obiettivo finale è individuare combinazioni ottimali di membrane ed elettrocatalizzatori, riducendo perdite e fenomeni di degradazione e aumentando efficienza, densità di potenza e durata. I materiali più promettenti sono stati integrati in assemblati membrane-elettrodi (MEA), e testati in cella singola monitorandone prestazioni e stabilità
Figura 1
A) Modelli computazionali sviluppati per il modeling di carbonio amorfo (matrice Vulcan XC-72) e MWCNT dopati con azoto; B) Struttura del polimero DAT-TB e la quaternizzazione per ottenere DAT-TB-Me+I- ,e membrana quaternizzata DAT-TB-
Risultati
Sono stati sviluppati nuovi materiali per celle a combustibile, con particolare attenzione a catalizzatori privi di metalli nobili (no-PGM) e membrane a scambio anionico (AEM). Sono stati sintetizzati e caratterizzati diversi catalizzatori per la riduzione dell’ossigeno (ORR) e per le reazioni di ossidazione dell’idrogeno (HOR). I catalizzatori Fe-N-C hanno mostrato prestazioni promettenti in ambiente acido, raggiungendo i target previsti. Sono stati inoltre sviluppati catalizzatori a base di Ag e ftalocianine metalliche e sistemi W-Ni modificati con Pd, con l’obiettivo di ridurre l’impiego di metalli nobili mantenendo elevate prestazioni.
Parallelamente, sono state sviluppate nuove membrane AEM basate su liquidi ionici polimerici e polimeri di microporosità intrinseca, affrontando le criticità legate a resistenza meccanica, uniformità e conducibilità.
L’attività di modellazione multiscala, basata su dinamiche reattive e calcoli DFT, ha permesso di comprendere a livello atomistico le interazioni tra catalizzatori, supporti e specie coinvolte nella reazione, guidando l’ottimizzazione dei materiali.
Infine, i catalizzatori no-PGM sono stati integrati in MEA e testati in celle a combustibile PEM, raggiungendo densità di potenza di circa 500 mW/cm² e dimostrando una buona stabilità operativa.
Figura 2
Risultati
Team di ricerca
CNR ITAE (Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia «Nicola Giordano»), Messina
I. Gatto (referente)
A. Carbone
A. Patti
E. Rosella
G. Bucca
C. Lo Vecchio
V. Baglio
CNR ICCOM (Istituto di Chimica dei Composti Organometallici), Firenze
H. A. Miller (referente)
T. Peruzzolo
CNR IPCF (Istituto per i processi chimico-fisici ), Pisa
G. Barcaro (referente).
CNR ITM (Istituto per la Tecnologia delle Membrane «Enrico Drioli»), Rende (CS)
J. C. Jansen (referente)
M. Longo
E. Esposito
In collaborazione con
Documenti
Gatto I., Patti A., Lo Vecchio C., Serov A., Baglio V., Investigation of the ionomer content on PEFC performance by using Fe-N-C- catalysts of ORR, 9th Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and Advanced Batteries – Hyceltec-Milazzo, Messina, Italy, June 30-July 3, 2024
Peruzzolo, T.; Pagliaro, M.V.; Poggini, L.; Bellini, M.; Miller, H.A. NiWO3−x-Supported Pd Nanocluster Catalyst Boosts Hydrogen Oxidation Activity in Anion Exchange Membrane Fuel Cells. Catalysts 2026, 16, 666. doi.org/10.3390/catal16080666.
