Considerevoli sforzi sono ancora necessari per riuscire a ottenere prestazioni migliori in termini di efficienza, durabilità e costo per la commercializzazione di massa di elettrolizzatori (PEM) e di celle a combustibile ad idrogeno (PEMFC). Lo sviluppo di membrane e di catalizzatori a basso costo e di lunga durata in grado di tollerare condizioni operative diverse è un obiettivo necessario. Lo scopo di questo progetto è quello di preparare e caratterizzare nuovi elettrocatalizzatori e membrane nanocomposite per l'elettrolizzatore e per le celle a combustibile ad elettrolita polimerico. Questo studio aspira ad affrontare alcuni ben noti problemi, ancora da approfondire, che limitano in modo significativo la diffusione di questi sistemi di produzione e di conversione di idrogeno, come ad esempio il costo elevato dovuto all'uso di catalizzatori a base di metalli nobili, la lenta cinetica delle reazioni a carico dell'ossigeno agli elettrodi, l'attraversamento (crossover) dei gas reagenti attraverso l'elettrolita all'interno della cella, la degradazione dei materiali e le loro prestazioni in condizioni operative critiche di temperatura e di umidità relativa (RH). Diverse tecniche ex-situ verranno utilizzate per investigare e comprendere le proprietà chimico-fisiche dei materiali ottenuti (Diffrazione di Raggi X (XRD), analisi morfologica con Microscopia Elettronica a Scansione (SEM). Determinazione dell'area superficiale specifica (BET), Spettroscopia IR in trasformata di Fourier (FTIR), Termogravimetria (TGA) e Calorimetria a Scansione Differenziale (DSC). La cinetica di reazione dei catalizzatori compositi sarà analizzata mediante Voltammetria Ciclica (CV) e misure con elettrodo a disco rotante (RDE).
In termini di scienza e tecnologia il progetto apporterà un avanzamento allo stato dell'arte di un settore strategico in via di sviluppo quale la produzione di idrogeno e la sua conversione in energia elettrica. Lo scopo di questo progetto è quello di sviluppare componenti elettrodici ed elettrolitici per elettrolizzatori (PEM) e celle a combustibile (PEMFC) al fine di ridurre i costi, migliorare le prestazioni e la durata.
Il progetto mira a contribuire alle specifiche del programma Horizon 2020 supportando l'obiettivo di decentrare la produzione di energia elettrica dal petrolio e combustibili fossili attraverso lo sfruttamento di risorse energetiche alternative. In quest'ottica, l'idrogeno è attualmente considerato il miglior candidato come vettore energetico del futuro.
Lo sviluppo di componenti base, quali elettrocatalizzatori e membrane nanocomposite sia per l'elettrolizzatore che per le celle a combustibile ad elettrolita polimerico, ha l'obiettivo di rendere entrambe le tecnologie più vicine ai target stabiliti da Horizon 2020 in particolare per quel che riguarda la riduzione dei costi e l'incremento della durata/prestazione dei sistemi. Per raggiungere questi obiettivi sono necessarie nuove tecnologie che utilizzino catalizzatori più economici, componenti ad elevata durabilità, membrane capaci di operare ad alte temperature e basse umidità relativa. Per esempio le membrane che rappresentano lo stato dell'arte attuale, perdono efficienza in termini di conducibilità protonica a T>100°C pertanto è necessario sviluppare nuove membrane in grado di sostenere elevate temperature con bassa umidificazione. Una strategia molto promettente per superare queste limitazioni con risultati positivi, consiste nello sviluppo/utilizzo di membrane composite (organiche-inorganiche). L'inserimento di solidi inorganici acidi in elettroliti polimerici convenzionali a base di Nafion ha la duplice funzione di migliorare la ritenzione dell'acqua d'idratazione e di fornire ulteriori siti acidi per la conduzione protonica. Inoltre, la formazione di compositi organici-inorganici risulta benefica in termini di stabilità meccanica e termica delle membrane che ne risultano nonché ridurre la permeazione dei gas reagenti[2,3,4]. E' inoltre necessario sviluppare nuovi componenti catalitici per favorire la riduzione dei costi. Anche in questo caso risulta promettente supportare il Platino con l'aggiunta di un opportuno additivo, l'uso di miscele di platino e ossidi comporta la riduzione del carico di metallo nobile.
In questo caso l'ossido viene disperso in un sistema a più componenti che oltre a garantire un'elevata resistenza nelle condizioni operative, risulta a basso costo. Tali ossidi possono avere un effetto sinergico, in quanto amplificano le proprietà chimico fisiche ed elettrochimiche del catalizzatore.
Il progetto beneficerà inoltre del know-how del gruppo di ricerca di appartenenza che opera nel settore quale elettrochimica e scienza dei materiali. Inoltre, nell'ambito del progetto si intende approfondire l'aspetto elettrochimico e chimico-fisico dei migliori materiali sfruttando possibili collaborazioni con enti di ricerca altamente specializzati nella caratterizzazione e nello sviluppo di materiali per applicazione energetiche.
Un opportunità per favorire l'avanzamento dell'arte sarà data grazie alla partecipazione a convegni/workshop nazionali ed internazionali con l'intento di raccogliere idee, informazioni utili per un ulteriore miglioramento delle tematiche di ricerca proposte.
[2]Nam, S., Lee, K.H., Kang, Y., Park S.M., Lee, J. W. Organic-Inorganic Nanocomposite Membranes as
High Temperature Proton Exchange Membranes for a Direct Dimethyl Ether Fuel Cell Application, Separation Science and Technology 2007; 13: 2927 ¿ 2945
[3]Sgambetterra M,Brutti S, Allodi V, Mariotto G,Panero S, Navarra M A, Critical Filler Concentration in Sulfated Titania-Added Nafion¿ Membranes for Fuel Cell Applications, Energies 2016; 9:272
[4]Scipioni R, Gazzoli D, Teocoli F, Palumbo O, Paolone A, Ibris N, Brutti S, Navarra M A,Preparation and Characterization of Nanocomposite Polymer Membranes Containing Functionalized SnO2 Additives Membranes 2014; 4:123-142