Potenziamento del catalizzatore per lo sviluppo del DEFC / Catalyst boost for DEFC development

Potenziamento del catalizzatore per lo sviluppo del DEFC /  Catalyst boost for DEFC development

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori ritengono di aver risolto i problemi che ostacolano lo sviluppo di celle a combustibile a etanolo diretto - DEFC - e che un dispositivo per la commercializzazione potrebbe essere consegnato in cinque anni.

Zhenxing Feng del College of Engineering dell'Oregon State University (OSU) ha contribuito a guidare lo sviluppo di un catalizzatore che risolve tre problemi chiave associati ai DEFC, vale a dire la bassa efficienza, il costo dei materiali catalitici e la tossicità delle reazioni chimiche all'interno delle cellule.

Feng e collaboratori dell'Oregon State, dell'Università della Florida centrale e dell'Università di Pittsburgh hanno scoperto che l'aggiunta di atomi di fluoro ai catalizzatori palladio-azoto-carbonio ha avuto effetti positivi, incluso il mantenimento della stabilità delle cellule per quasi 6.000 ore. I risultati del gruppo  sono stati pubblicati su Nature Energy.

"Per raggiungere gli obiettivi a emissioni zero e a emissioni zero, sono urgentemente necessari dispositivi di conversione dell'energia alternativa che utilizzino il carburante da fonti rinnovabili e sostenibili", ha affermato Feng, professore associato di ingegneria chimica. "Le celle a combustibile a etanolo diretto possono potenzialmente sostituire i sistemi di conversione dell'energia basati su benzina e diesel come fonti di alimentazione".

Feng e collaboratori stanno ora cercando finanziamenti per sviluppare prototipi DEFC per dispositivi e veicoli portatili.

"Se questo ha successo, possiamo consegnare un dispositivo per la commercializzazione in cinque anni", ha affermato. "Con più collaboratori industriali, il veicolo DEFC può essere implementato in 10 anni, si spera".

La maggior parte dell'etanolo prodotto negli Stati Uniti è prodotto nel Midwest, più tipicamente dal mais.

"Nella tecnologia DEFC, l'etanolo può essere generato da una serie di fonti, in particolare biomassa come canna da zucchero, grano e mais", ha affermato Feng. "Il vantaggio dell'utilizzo di fonti biologiche per produrre etanolo è che le piante assorbono l'anidride carbonica atmosferica".

Secondo l'OSU, l'etanolo può fornire più energia per chilogrammo rispetto ai combustibili, incluso il metanolo o l'idrogeno puro, e l'infrastruttura è pronta per produrlo e distribuirlo.

"Il primo veicolo alimentato da una cella a combustibile a base di etanolo è stato sviluppato nel 2007", ha affermato Feng. "Tuttavia, l'ulteriore sviluppo dei veicoli DEFC è notevolmente ritardato a causa della bassa efficienza del DEFC, dei costi relativi ai catalizzatori e del rischio di avvelenamento del catalizzatore dal monossido di carbonio prodotto nelle reazioni all'interno della cella a combustibile".

Per affrontare questi problemi il team di ricerca, che comprendeva anche Maoyu Wang dell'OSU e scienziati della Southern University of Science and Technology in Cina e dell'Argonne National Laboratory, ha sviluppato catalizzatori in lega di palladio ad alte prestazioni che utilizzano meno metallo prezioso rispetto agli attuali catalizzatori a base di palladio.

Palladio, platino e rutenio sono apprezzati per le loro proprietà catalitiche ma sono costosi e difficili da ottenere.

"Il nostro gruppo ha dimostrato che l'introduzione di atomi di fluoro nei catalizzatori palladio-azoto-carbonio modifica l'ambiente attorno al palladio e ciò migliora sia l'attività che la durata di due importanti reazioni nella cellula: la reazione di ossidazione dell'etanolo e la reazione di riduzione dell'ossigeno", ha affermato Feng. “Le caratterizzazioni avanzate della spettroscopia di raggi X di sincrotrone effettuate ad Argonne suggeriscono che l'introduzione di atomi di fluoro crea una superficie di palladio più ricca di azoto, che è favorevole alla catalisi. La durata è migliorata inibendo la migrazione del palladio e diminuendo la corrosione del carbonio”.

La ricerca è stata supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.

ENGLISH

Researchers believe they have solved issues hindering the development of direct-ethanol fuel cells – DEFCs – and that a device for commercialisation could be delivered in five years.

Zhenxing Feng of the Oregon State University (OSU) College of Engineering helped lead the development of a catalyst that solves three key problems associated with DEFCs, namely low efficiency, the cost of catalytic materials and the toxicity of chemical reactions inside the cells.

Feng and collaborators at Oregon State, the University of Central Florida and the University of Pittsburgh found that adding fluorine atoms into palladium-nitrogen-carbon catalysts had positive effects, including keeping the cells stable for nearly 6,000 hours. The team’s findings have been published in Nature Energy.

Zhenxing Feng of the Oregon State University (OSU) College of Engineering helped lead the development of a catalyst that solves three key problems associated with DEFCs, namely low efficiency, the cost of catalytic materials and the toxicity of chemical reactions inside the cells.

Feng and collaborators at Oregon State, the University of Central Florida and the University of Pittsburgh found that adding fluorine atoms into palladium-nitrogen-carbon catalysts had positive effects, including keeping the cells stable for nearly 6,000 hours. The team’s findings have been published in Nature Energy.

“To achieve carbon-neutral and zero-carbon-emissions goals, alternative energy conversion devices using the fuel from renewable and sustainable sources are urgently needed,” said Feng, an associate professor of chemical engineering. “Direct-ethanol fuel cells can potentially replace gasoline- and diesel-based energy conversion systems as power sources.”

Feng and collaborators are now seeking funding to develop DEFC prototypes for portable devices and vehicles.

“If this is successful, we can deliver a device for commercialisation in five years,” he said. “With more industrial collaborators, the DEFC vehicle can be implemented in 10 years, hopefully.”

Most of the ethanol produced in the United States is made in the Midwest, most typically from maize.

“In DEFC technology, ethanol can be generated from a number of sources, particularly biomass like sugar cane, wheat and corn,” Feng said. “The benefit of using biological sources to produce ethanol is that plants absorb atmospheric carbon dioxide.”

According to OSU, ethanol can deliver more energy per kilogram than fuels including methanol or pure hydrogen, and the infrastructure is in place to produce and distribute it.

“The first vehicle powered by an ethanol-based fuel cell was developed in 2007,” Feng said. “However, the further development of DEFC vehicles has significantly lagged due to the low efficiency of DEFC, the costs related to catalysts and the risk of catalyst poisoning from carbon monoxide produced in reactions inside the fuel cell.”

To tackle those problems the research team, which also included OSU’s Maoyu Wang and scientists from Southern University of Science and Technology in China and Argonne National Laboratory, developed high-performance palladium alloy catalysts that use less of the precious metal than current palladium-based catalysts.

Palladium, platinum and ruthenium are valued for their catalytic properties but are expensive and difficult to obtain.

“Our team showed that introducing fluorine atoms into palladium-nitrogen-carbon catalysts modifies the environment around the palladium, and that improves both activity and durability for two important reactions in the cell: the ethanol oxidation reaction and the oxygen reduction reaction,” Feng said. “Advanced synchrotron X-ray spectroscopy characterisations made at Argonne suggest that fluorine atom introduction creates a more nitrogen-rich palladium surface, which is favourable for catalysis. Durability is enhanced by inhibiting palladium migration and decreasing carbon corrosion.”

The research was supported by the US Department of Energy and National Science Foundation.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/defc-osu-oregon-state-zhenxing-feng/