Obiettivo 3: Celle a Combustibile
REFERENTE/I
Valentina Naticchioni – ENEA
valentina.naticchioni@enea.it
Attività
L’attività di ricerca è incentrata sullo sviluppo di materiali catalitici innovativi a basso costo per la reazione elettrochimica di ‘riduzione di ossigeno ’ (ORR) che avviene all’interfaccia tra il catodo e la membrana protonica in una comune cella a combustibile a bassa temperatura, nota come LT-PEMFC (low-temperature proton exchange membrane fuel cell). Tale reazione elettrochimica rappresenta una delle reazioni più complesse e cineticamente lente in questi tipi di sistemi di conversione dell’energia e richiede l’impiego di grandi quantità di metalli nobili come catalizzatori, limitandone la commercializzazione su larga scala. Il progetto si è basato sulla sintesi e caratterizzazione di un co-catalizzatore a base di ossido di cerio supportato su ossido di grafene ridotto usato come additivo all’interno dello standard inchiostro catalitico Pt/C impiegato a livello commerciale. Il co-catalizzatore è stato caratterizzato sia a livello fisico-chimico, elettrochimico che a livello di prestazioni in un prototipo di PEMFC da laboratorio con lo scopo di migliorare l’attività catalitica, la stabilità, riducendo la quantità di metallo nobile usualmente impiegato con un conseguente diminuzione dei costi di produzione per applicazioni su scala industriale e sviluppando un processo di sintesi e deposizione facilmente scalabile e riproducibile.
Figura 1
Immagine rappresentativa dei componenti di una LT-PEMFC e schema del sistema sinergico tra co-catalizzatore e Pt/C come componente elettrodico e principali vantaggi a livello elettrochimico e fisico
Risultati
Il co-catalizzatore di CeO₂‑rGO non stechiometrico è stato ottenuto con una sintesi one‑pot → vacanze di ossigeno + riduzione GO simultanee con conseguente aumento siti di reazione per l’ossigeno molecolare a favore del transferimento di carica durante la ORR.
•Caratterizzazione: GO, rGO e CeO₂ sintetizzati come riferimenti; XPS → aumento Ce³⁺ nel composito → più difetti attivi. Ramanà conferma segnale dell’interazione tra CeO₂ e rGO.
•Risultati ex‑situ (RDE): la composizione di inchiostro con metà quantità di Pt/C in presenza de co-catalizzatore (rapporto in peso 0.5 a 1) ha mostrato una migliore ORR, maggiore ECSA e ottima stabilità dopo trattamento di stress accelerato rispetto allo standard di Pt/C .
•Risultati in cella (80 °C):
•Miglior performance a 30% RH: ~75 mW cm⁻² con 0.1 mgPt cm⁻² superando le performance del Pt/C con medesima e raddoppiata quantità di Pt. Buona stabilità dopo 500 ciclazioni perdendo solo circa il 9% del valore di densità di potenza iniziale.
Figura 2
Curve di polarizzazione e densità di potenza a confronto per 3 diverse deposizioni di inchiostro catalitico con migliore prestazione in presenza del co-catalizzatore con metà quantità di platino in condizioni di bassa umidità relativa 30% e temperatura di 80°C della cella.
Team di ricerca
Il team coinvolto nelle attività di ricerca ha visto protagonisti i ricercatori ENEA: Alfonso Pozio, ideatore della linea di attività, Valentina Naticchioni, coordinatore delle attività e parte attiva delle attività sperimentali, Livia Della Seta, specialista SEM del gruppo.
Per questa linea di attività è stato attivato un dottorato di ricerca in «Modelli Matematici per l’Ingegneria, Elettromagnetismo e Nanoscienze» con l’Università Sapienza di Roma, svolto da Luna Iacobini e tutor Prof.ssa Maria Assunta Navarra, il cui contributo è stato fondamentale per lo sviluppo delle attività e l’ottenimento dei risultati raggiunti.
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