Dalle missioni Apollo al grafene: i progressi delle celle a combustibileagnese.sonato
Mer, 11/11/2020 – 08:17


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Agnese Sonato

Era il 1839 quando William Robert Grove, un avvocato e chimico londinese, effettuava i primi esperimenti su una pila a combustibile presso la Royal Institution of South Wales riuscendo a produrre energia elettrica facendo reagire tra loro idrogeno e ossigeno gassosi. Da allora, e soprattutto negli ultimi anni, le celle a combustibile hanno fatto enormi progressi e trovano posto nella produzione di corrente elettrica in dispositivi per uso civile e militare. Ne abbiamo parlato con il professor Vito Di Noto dell’Università, direttore del gruppo di ricerca Chemistry of Materials for the Metamorphosis and the Storage of Energy (CheMaMSE) del dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Padova e presidente della divisione di elettrochimica della Società Chimica Italiana.

SCIENZA E RICERCA

Cos’è una cella a combustibile e per quali applicazioni nasce?

La pila o cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che, partendo prevalentemente da idrogeno e ossigeno, permette di ottenere, grazie a un catalizzatore, acqua ed energia elettrica con un’efficienza che oggi è davvero molto alta. 
Le prime applicazioni delle celle a combustibile iniziano con l’esplorazione spaziale. Basti pensare che tutte le missioni Apollo sfruttavano proprio sistemi basati su celle a combustibile. Questi sistemi hanno da sempre avuto un enorme vantaggio rispetto, ad esempio, alle batterie. Prima di tutto la durata. I satelliti, ad esempio, sfruttano pannelli solari per convertire energia solare in energia elettrica, la accumulano sotto forma di idrogeno e ossigeno e poi ricombinano questi due elementi per produrre ulteriore energia. In questo modo alcuni satelliti sono rimasti funzionanti per più di vent’anni. 
C’è poi la densità di corrente, davvero elevatissima per una cella a combustibile: 2 ampere per centimetro quadro, nelle celle alcaline più moderne, contro i 200 microampere per centimetro quadro di una batteria al litio. Una densità elevata su spessori di materiali molto bassi: un totale di circa 70 micrometri. 
Tornando alle applicazioni, in generale possiamo dire che le celle a combustibile sono dispositivi con applicazioni duali, cioè sia civili che militari. C’è grande interesse, ad esempio, per l’applicazione di celle per i sommergibili per scopi militari, sostituendo i sistemi di vecchia generazione, a propulsione nucleare, che nella fase di raffreddamento non sono silenziosi e rendono così i sommergibili più tracciabili. Ma dall’altro lato le celle a combustibile potrebbero, in futuro, andare ad alimentare grandi navi per uso civile: sarebbero un sistema molto efficiente, silenzioso e non inquinante rispetto a quelli che alimentano oggi le grandi navi, ad esempio. 
O ancora, una recente applicazione in campo sanitario, è stato l’utilizzo di un sistema di celle a combustibili che funzionavano “al contrario” come supporto alla produzione di ossigeno nelle terapie intensive per pazienti affetti da COVID-19. Le celle, infatti, possono anche essere usate per produrre idrogeno e ossigeno puri.
 

Come mai, vista l’elevata efficienza e durabilità, le celle a combustibile oggi non sostituiscono le batterie in molti altri dispositivi come la automobili?

Non si può pensare a una sola applicazione per tutto, non esiste nella scienza una sola medicina che va bene per tutte le occasioni. Alcune soluzioni vanno bene solo per alcune occasioni
Le migliori celle a combustibile che avevamo da fine anni ’90 fino al 2005 solitamente producevano un kilowatt per grammo di catalizzatore, un catalizzatore al platino che ha dei costi molto elevati. Se pensiamo che un’automobile in media ha bisogno di 80 kilowatt e quindi di otto grami di platino circa, il costo di un’automobile a celle a combustibile sarebbe troppo elevato, raggiungerebbe circa gli ottanta mila euro per un’automobile utilitaria. 
Il problema sta quindi nei materiali della cella a combustibile, in particolare nel materiale del catalizzatore. 
Quindi oggi si cerca di sviluppare nuovi materiali per ridurre l’utilizzo del platino. Si tratta di materiali altamente tecnologici e l’U.S. Department of Interior (DOI) ha stabilito che l’obiettivo ideale sarebbe arrivare alla produzione di otto kilowatt di potenza per un grammo di platino. 
 

A che punto è arrivata la ricerca per lo sviluppo di nuovi materiali come catalizzatori?

Oggi siamo riusciti a raggiungere una potenza di 24 kilowatt per grammo di catalizzatore, un catalizzatore molto particolare sviluppato dal nostro laboratorio e la cui produzione è oggi in fase di lavorazione. Si tratta di celle a combustibile al grafene, che a giugno del 2020 queste celle a combustibile sono state presentate alla Graphene Flagship, una delle più importanti iniziative di ricerca dell’Unione Europea per le applicazioni del grafene in diversi settori, dalla microelettronica alla medicina, passando anche per la produzione di energia. 
Solitamente, nel campo della microelettronica, viene depositato un monostrato di grafene su un foglio di rame e successivamente il rame viene sciolto, ottenendo così lo strato di grafene desiderato. Con questo processo, però, il grafene tende a formare aggregati, e utilizzare questo sistema per i catalizzatori di celle a combustibile è tutt’altro che efficiente. Nella nostro laboratorio partiamo da una nanoparticella di rame di circa venti nanometri di diametro e sulla sua superficie costruiamo un monostrato di grafene. Così otteniamo un grafene altamente funzionale a cui è possibile ancorare diversi elementi, come metalli di transizione, che possono fungere da catalizzatori. Oggi questo sistema di catalizzatori sub-nanometrici permette di raggiungere anche i 24 kilowatt, un traguardo molto importante a cui stiamo ancora lavorando per favorirne la commercializzazione e lo scaling up

Era il 1839 quando William Robert Grove, un avvocato e chimico londinese, effettuava i primi esperimenti su una pila a combustibile presso la Royal Institution of South Wales riuscendo a produrre energia elettrica facendo reagire tra loro idrogeno e ossigeno gassosi. Da allora i progressi delle celle a combustibile sono stati parecchi

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Foto: Massimo Pistore
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