Studio e sviluppo di protocolli di stabilità di elettrodi a diffusione di gas funzionalizzati con film sottili di catalizzatori Platino/Metallo-ossido/Carbone per la catalisi della reazione di riduzione dell’ossigeno

Climate change is pushing energy research to find solutions other than fossil fuels. In addition to renewable energy sources, energy storage tools such as batteries or fuel cells are needed. Fuel cells (FCs), in particular, are receiving a lot of attention in the automotive field since they exploit less polluting fuels than hydrocarbons, such as hydrogen. One of the most limiting factors of proton exchange fuel cells (PEMFC) is the rate of the oxygen reduction reaction (ORR) that requires the presence of a catalyst. The catalysts that, currently, offer the best performance are based on platinum (Pt), which is an expensive metal due to its scarcity. One of the methods to make the use of PEMFCs more competitive is to improve the stability over time of platinum nanoparticles and/or their activity in catalyzing the ORR reaction. The thesis, therefore, has as its object the study and development of stability protocols for gas diffusion electrodes (GDE, a porous electrode that allows the diffusion of gaseous reagents, so as to mimic the functioning of the cathode part of a PEMFC) functionalized with thin films of catalysts based on platinum/metal-oxide/carbon nanoparticles. The catalysts are characterized with techniques such as Raman, HR TEM, XRD and electrochemical analysis. The electrochemical analyses were carried out both at room temperature and at a temperature of 60 °C.

Il cambiamento climatico sta spingendo la ricerca nel settore energetico a trovare soluzioni diverse dai combustibili fossili. Ad affiancare le fonti di energia rinnovabile sono necessari strumenti per lo stoccaggio dell'energia, quali batterie o celle a combustibile. Le celle a combustibile, in particolare, stanno ricevendo molte attenzioni nel campo dell'autotrazione siccome sfruttano combustibili meno inquinanti degli idrocarburi, quali l'idrogeno. Uno dei fattori più limitanti delle celle a combustibile a scambio protonico (PEMFC) è la velocità della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) che necessita la presenza di un catalizzatore. I catalizzatori che forniscono le migliori performance, attualmente, sono a base di platino (Pt), che è un metallo costoso per via della sua scarsità. Uno dei metodi per rendere più competitivo l'impiego delle PEMFC è di migliorare la stabilità nel tempo delle nanoparticelle di platino e/o la loro attività nel catalizzare la reazione ORR. La tesi ha, quindi, come oggetto lo studio e lo sviluppo di protocolli di stabilità per elettrodi a diffusione di gas (GDE, un elettrodo poroso che permette la diffusione di reagenti gassosi, così da mimare il funzionamento della parte catodica di una PEMFC) funzionalizzati con film sottili di catalizzatori a base di nanoparticelle di platino/metallo-ossido/carbone. I catalizzatori sono caratterizzati con tecniche quali Raman, HR TEM, XRD ed elettrochimiche. Le analisi elettrochimiche sono state effettuate sia a temperatura ambiente, sia alla temperatura di 60 °C.