Celle a combustibile, oltre 900 mW/cm² con un catalizzatore senza platino

Un gruppo di ricerca internazionale ha sviluppato catalizzatori a base di pigmenti blu supportati su carbonio per celle a combustibile a membrana a scambio anionico. Il materiale più performante, denominato AZ-FO-30, ha raggiunto 902 milliwatt per centimetro quadrato nei test condotti a 80 °C, senza utilizzare platino.

Due pigmenti ricchi di azoto a confronto

Il lavoro ha coinvolto ricercatori della Tohoku University, del Technion, della Hokkaido University e di AZUL Energy. Il gruppo ha sintetizzato due tetra-azaftalocianine di ferro nelle quali eterocicli contenenti azoto sostituiscono gli anelli periferici di benzene della ftalocianina di ferro convenzionale.

Il primo catalizzatore, FeAzPc-4N supportato su carbonio conduttivo Ketjen Black, è stato chiamato AZ-FT-30. Il secondo, AZ-FO-30, utilizza il materiale FeAzPc-8N8Me, più ricco di azoto. Le analisi hanno mostrato che le molecole contenenti ferro erano disperse sul carbonio a livello atomico e molecolare, senza formare particelle più grandi.

Le prestazioni nei test AEMFC

A 80 °C, AZ-FT-30 ha raggiunto una densità di potenza di picco di 744 milliwatt per centimetro quadrato, mentre AZ-FO-30 è arrivato a 902 milliwatt per centimetro quadrato. Il manoscritto indica quest'ultimo risultato come il valore più alto finora riportato per un catodo AEMFC basato su una ftalocianina metallica.

AZ-FO-30 ha inoltre funzionato per 35 ore con un carico costante di 400 milliampere per centimetro quadrato. Durante questa prova è stato rilevato un tasso medio di decadimento pari a 2,4 millivolt all'ora.

Le aree superficiali elettrochimiche dei due catalizzatori erano quasi identiche: 155,8 e 157,5 metri quadrati per grammo. Secondo i ricercatori, questa vicinanza ha permesso di collegare la differenza prestazionale soprattutto alle proprietà intrinseche delle molecole.

Il ruolo del sito attivo del ferro

I calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità hanno associato le prestazioni di AZ-FO-30 a un'interazione più forte tra l'ossigeno e il sito attivo del ferro. Per l'OH adsorbito, la distanza ferro-ossigeno diminuisce passando dalla ftalocianina di ferro non modificata ad AZ-FT-30 e infine ad AZ-FO-30.

La distanza più breve osservata in AZ-FO-30 indica l'interazione più forte fra i tre materiali esaminati. La stessa tendenza è rimasta presente anche inserendo nel modello una molecola d'acqua. Hiroshi Yabu ha attribuito il risultato alla progettazione molecolare dei pigmenti, che avrebbe rafforzato l'interazione nel sito attivo.

Lo studio, firmato da John C. Douglin e dagli altri autori, è stato pubblicato nel 2026 su ACS Catalysis. Il DOI indicato per la ricerca è 10.1021/acscatal.6c03312.

Una domanda per voi

Quale aspetto dovrebbe avere la priorità nello sviluppo di questi catalizzatori: densità di potenza, durata operativa o assenza di platino?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.