Una nuova tecnologia di rivestimento catalitico, sviluppata da un team di ricercatori sudcoreani, potrebbe trasformare le prestazioni delle celle a combustibile a ossido solido (SOFC) in soli quattro minuti. Questa innovazione promette di migliorare l’efficienza energetica e la stabilità chimica di questi dispositivi, aprendo la strada ad applicazioni industriali più ampie.
Il dottor Yoonseok Choi dell’Hydrogen Convergence Materials Laboratory presso il Korea Energy Research Institute (KIER), in collaborazione con altri ricercatori, ha sviluppato una tecnologia di rivestimento catalitico che migliora significativamente le prestazioni SOFC in soli quattro minuti.
Le celle a combustibile sono sempre più riconosciute come dispositivi energetici altamente efficienti e puliti, che svolgono un ruolo chiave nell’economia dell’idrogeno. Tra questi, le SOFC si distinguono per la massima efficienza nella generazione di energia e per la capacità di utilizzare vari combustibili come idrogeno, biogas e gas naturale. Inoltre, consentono la produzione combinata di calore ed elettricità utilizzando il calore generato durante il processo.
SOFC : Un tipo di cella a combustibile in cui gli elettrodi e l’elettrolita sono materiali solidi, che funzionano a temperature elevate superiori a 700 gradi Celsius.
Miglioramento degli elettrodi compositi LSM-YSZ
Le prestazioni delle SOFC dipendono in gran parte dalla cinetica della reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) che si verifica sull’elettrodo dell’aria (catodo). Poiché la velocità di reazione sull’elettrodo dell’aria è più lenta di quella sull’elettrodo del carburante (anodo), limita la velocità di reazione complessiva. Per superare questa cinetica lenta, i ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali per elettrodi ad aria con elevata attività ORR. Tuttavia, questi nuovi materiali generalmente mancano di stabilità chimica, richiedendo una ricerca continua.
Piuttosto che concentrarsi su nuovi materiali, il team di ricerca ha scelto di migliorare le prestazioni dell’elettrodo composito LSM-YSZ, un materiale ampiamente utilizzato nell’industria per la sua eccezionale stabilità. Hanno quindi sviluppato un processo di rivestimento per applicare catalizzatori di ossido di praseodimio (PrOx) su scala nanometrica sulla superficie dell’elettrodo composito, promuovendo attivamente la reazione di riduzione dell’ossigeno.
Elettrodo composito LSM-YSZ : Composto da LSM (Lantanio Stronzio Manganite) e dall’elettrolita conduttore di ioni ossigeno YSZ (Yttria Stabilized Zirconia), questo materiale è tradizionalmente utilizzato nell’industria come elettrodo ad aria grazie alla sua eccezionale compatibilità termica e chimica.
Un innovativo metodo di deposizione elettrochimica
Il gruppo di ricerca ha introdotto un metodo di deposizione elettrochimica che funziona a temperatura ambiente e pressione atmosferica, senza richiedere apparecchiature o processi complessi.
Immergendo l’elettrodo composito in una soluzione contenente ioni praseodimio (Pr) e applicando una corrente elettrica, gli ioni idrossido (OH-) generati sulla superficie dell’elettrodo reagiscono con gli ioni praseodimio, formando un precipitato che ricopre uniformemente l’elettrodo. Questo strato di rivestimento subisce quindi un processo di essiccazione, trasformandosi in un ossido stabile che promuove efficacemente la reazione di riduzione dell’ossigeno dell’elettrodo in ambienti ad alta temperatura. L’intero processo di rivestimento dura solo quattro minuti.
Deposizione elettrochimica catodica (CELD) : Un metodo che utilizza reazioni elettrochimiche per depositare metalli o composti metallici sulla superficie di un elettrodo.
Risultati incoraggianti per il settore
Facendo funzionare l’elettrodo composito rivestito di catalizzatore e l’elettrodo composito convenzionale per più di 400 ore, il team ha osservato una riduzione della resistenza alla polarizzazione di un fattore dieci. Inoltre, la SOFC che utilizza questo elettrodo rivestito ha mostrato una densità di potenza di picco tre volte superiore (142 mW/cm² → 418 mW/cm²) rispetto a quella del caso non rivestito, a 650 gradi Celsius. Ciò rappresenta la prestazione più alta riportata in letteratura per le SOFC che utilizzano elettrodi compositi LSM-YSZ.
Il dottor Yoonseok Choi, co-autore corrispondente, ha dichiarato: “La tecnica di deposizione elettrochimica che abbiamo sviluppato è un post-processo che non ha un impatto significativo sul processo di produzione SOFC esistente. Ciò rende economicamente fattibile l’introduzione di nanocatalizzatori di ossidi, aumentandone così l’applicabilità industriale.»
Ha aggiunto : “Ci siamo assicurati una tecnologia chiave che può essere applicata non solo alle SOFC ma anche a vari dispositivi di conversione dell’energia, come l’elettrolisi ad alta temperatura (SOEC) per la produzione di idrogeno.»
Didascalia dell’illustrazione: Foto del gruppo di ricerca congiunto (Yoon-Seok Choi, ricercatore capo, estrema destra) – Crediti: Korea Institute of Energy Research (KIER)
Articolo: “Rivitalizzazione della reattività di riduzione dell’ossigeno degli elettrodi di ossido composito tramite nanocatalizzatori PrOx depositati elettrochimicamente” – DOI: 10.1002/adma.202307286
