Elettrocatalizzatori "Pt-free" di frontiera per celle a combustibile ed elettrolizzatori a membrana operanti in ambiente acido e alcalino

The increasing need of renowable energy resources has brought to the development of new sustainable technologies. A possible candidate as energy carrienr is hydrogen, through its application in fuel cells and electrolyzers. The core component of a fuel cell is the membrane electrode assembly (MEA) made of a membrane, a cathode and an anode. The best cathodic material for the reduction of oxygen at the moment is platinum supported on carbon because of its excellent activity and selectivity. On the other hand, its availability is relatively low and so its also expensive. For these reasons the scientific community is researching new materials based on non noble metals which are cheaper and more available. The aim of the thesis is a complete study on the development of new electrocatalysts for the reduction of oxygen and evolution of hydrogen. The study comprehends the synthesis of bimetallic tin-iron electrocatalysts supported on N-doped carbon, a complete physical-chemical characterisation and the preparation an testing of a fuel cell using these materials.

Il crescente bisogno di fonti di energia rinnovabili ha portato allo sviluppo di tecnologie sempre più sostenibili e al contempo disponibili ed economiche. Un possibile candidato come vettore energetico che presenti tali caratteristiche è l’idrogeno, il quale può essere generato tramite l’uso di elettrolizzatori e può essere utilizzato nelle celle a combustibile per produrre elettricità verde, rilasciando come unico sottoprodotto l’acqua. Il cuore di una cella a combustibile è costituito dalla membrane electrode assebly (MEA) e a sua volta essa contiene una membrana, un anodo e un catodo. Il materiale catodico con le migliori prestazioni è il platino supportato su carbonio per via della sua eccellente attività verso la reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR). Esso però presenta anche degli svantaggi dovuti alla sua scarsa disponibilità ed abbondanza e conseguentemente al suo costo relativamente alto. Per questi motivi la ricerca scientifica in questo ambito si sta dirigendo verso la realizzazione di elettrocatalizzatori basati su metalli più economici e disponibili e che contemporaneamente presentino attività comparabili con quelle del platino. Lo scopo di questo elaborato di tesi è lo studio approfondito della realizzazione di materiali elettrocatalizzatori per la reazione di riduzione dell’ossigeno senza platino per applicazioni in celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) e anionico (AEMFC). Lo studio è costituito da tre fasi: la prima è l’insieme delle sintesi multistadio che utilizzano un approccio di tipo sol-gel per produrre elettrocatalizzatori di stagno e ferro ancorati su “nidi di coordinazione” di tipo carbonitrurico e supportati su nanoparticelle di carbonio; la seconda fase tratta una vasta gamma di caratterizzazioni chimico-fisiche dei materiali sintetizzati che comprendono: analisi strutturali e morfologiche, comportamento termico, composizione chimica e distribuzione elementare, comportamento elettrochimico ex situ. Infine, la terza fase è incentrata sulla preparazione di MEA con questi materiali e l’assemblaggio di una cella a combustibile sulla quale sono stati eseguiti dei test in situ di performance.