Scienziati cinesi sviluppano un catalizzatore di ferro ad alte prestazioni per le celle a combustibile
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Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), spesso chiamate "banche di energia a idrogeno", sono dispositivi energetici puliti che generano elettricità da idrogeno e ossigeno con solo acqua come sottoprodotto. Caratterizzate da alta efficienza, rapidità di avvio e zero emissioni, sono molto promettenti per i trasporti, l'elettronica portatile e la generazione di energia stazionaria. Purtroppo, attualmente le PEMFC dipendono fortemente dal catalizzatore di platino, scarso e costoso, che ne rende impraticabile l'adozione su larga scala.
Costruzione di CS Fe/N-C
ZHAO Yasong
Ora, però, un team di scienziati cinesi ha sviluppato un catalizzatore a base di ferro ad alte prestazioni per queste celle a combustibile che potrebbe potenzialmente ridurre la dipendenza dal platino. Il nuovo design, descritto come "attivazione interna, protezione esterna", consente un'efficienza record e una durata a lungo termine.
I catalizzatori Fe/N-C tradizionali si basano in genere sulla superficie esterna dei supporti di grafene o carbonio, limitando l'esposizione dei siti attivi e ostacolando la loro applicazione pratica. In generale, le PEMFC sono state ostacolate anche da un legame troppo forte con gli intermedi dell'ossigeno, da una scarsa cinetica di reazione e dalla vulnerabilità alle reazioni di Fenton in ambienti ossidativi (ad esempio, H2O2 e -OH), con conseguente lisciviazione dei metalli e degrado delle prestazioni.
Per affrontare queste sfide, il team di ricerca guidato dal Prof. WANG Dan (attualmente all'Università di Shenzhen) e dal Prof. ZHANG Suojiang dell'Istituto di Ingegneria dei Processi dell'Accademia Cinese delle Scienze ha sviluppato un catalizzatore di ferro a singolo atomo a superficie curva interna (CS Fe/N-C) con un'esclusiva struttura nanoconfinata cava multishellled (HoMS). Ogni particella nanocavata, delle dimensioni di circa 10 nm × 4 nm, è costituita da gusci multipli in cui gli atomi di Fe sono concentrati negli strati interni ad alta densità.
Questo catalizzatore è composto da numerosi nano HoMS dispersi su strati di carbonio 2D, con siti a singolo atomo di ferro principalmente incorporati nella superficie interna curva dei nano HoMS. Lo strato esterno di carbonio grafitizzato dei nano HoMS non solo indebolisce efficacemente la forza di legame degli intermedi di reazione ossigenati, ma riduce anche il tasso di produzione di radicali idrossilici, formando un caratteristico microambiente "attivazione interna, protezione esterna". Il catalizzatore Fe/N-C offre una delle migliori prestazioni delle PEMFC prive di metalli del gruppo del platino.
La spettroscopia di assorbimento dei raggi X di sincrotrone ha rivelato che gli atomi di Fe interni presentano prevalentemente uno stato di ossidazione +2 e una struttura di coordinazione FeN4C10. La spettroscopia Mössbauer ha inoltre confermato che il 57,9% dei siti di Fe si trova in uno stato catalitico attivo a basso spin D1.
I calcoli teorici hanno mostrato che l'aumento della curvatura da solo rafforza il legame intermedio e ostacola il desorbimento, riducendo così l'attività catalitica. Tuttavia, l'introduzione di un guscio esterno di carbonio drogato di azoto con vacancies di Fe induce una significativa repulsione elettrostatica (0,63-1,55 eV) tra gli atomi di azoto dello strato esterno e gli atomi di ossigeno degli intermedi adsorbiti sul guscio interno. Questa repulsione indebolisce la forza di legame, rompe la relazione di scala lineare tra ΔG*OH, ΔG*O e ΔG*OOH e migliora significativamente le prestazioni catalitiche.
Secondo i ricercatori, il catalizzatore ha raggiunto un sovrapotenziale di riduzione dell'ossigeno di 0,34 V, di gran lunga superiore a quello della struttura planare. Ha anche soppresso la formazione di perossido di idrogeno e migliorato la selettività e la durata. Inoltre, ha fornito una densità di potenza record di 0,75 W cm-2 in aria H2 a 1,0 bar, con un mantenimento dell'attività dell'86% dopo oltre 300 ore di funzionamento continuo.
Questo lavoro stabilisce un nuovo tipo di CS Fe/N-C per una catalisi di riduzione dell'ossigeno altamente attiva e duratura nelle celle a combustibile. Lo strato esterno di N-C grafitizzato indebolisce efficacemente la forza di legame degli intermedi ossigenati e sopprime la generazione di -OH, migliorando così sia l'attività che la stabilità. Questo fornisce un nuovo paradigma per lo sviluppo di catalizzatori ad alte prestazioni per gli elettrocatalizzatori di prossima generazione.
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