Roma – Dr. Yoonseok Choi del Laboratorio dei materiali di convergenza dell’idrogeno presso il Korea Institute of Energy Research (KIER) , in collaborazione con il Professor WooChul Jung del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso KAIST e il Professor Beom-Kyung Park del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Engineering presso la Pusan National University, ha sviluppato con successo una tecnologia di rivestimento catalitico che migliora significativamente le prestazioni delle celle a combustibile a ossido solido (SOFC) in soli 4 minuti. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Advanced Materials, una rivista di fama mondiale nel campo della scienza dei materiali. Lo studio è stato condotto con il sostegno del Programma di sviluppo tecnologico di base per le energie nuove e rinnovabili del Ministero del Commercio, dell’Industria e dell’Energia e del Programma individuale di ricerca di base del Ministero della Scienza e delle ICT.
Illustrazioni schematiche del processo di rivestimento elettrochimico sull’elettrodo LSM-YSZ delle SOFC
CREDITO
Istituto coreano di ricerca energetica (KIER)
Le celle a combustibile stanno guadagnando attenzione come dispositivi energetici altamente efficienti e puliti che guidano l’economia dell’idrogeno. Tra questi, le celle a combustibile a ossido solido (SOFC), che hanno la massima efficienza nella generazione di energia, possono utilizzare vari combustibili come idrogeno, biogas e gas naturale. Consentono inoltre la generazione combinata di calore ed elettricità utilizzando il calore generato durante il processo, rendendoli oggetto di ricerca e sviluppo attivi.
*Cella a combustibile a ossido solido (SOFC): un tipo di cella a combustibile in cui sia gli elettrodi che l’elettrolita sono materiali solidi, funzionanti a temperature elevate superiori a 700 gradi Celsius.
Illustrazioni schematiche del processo di rivestimento elettrochimico sull’elettrodo LSM-YSZ delle SOFC
CREDITO
Istituto coreano di ricerca energetica (KIER)
Le prestazioni delle celle a combustibile a ossido solido (SOFC) sono in gran parte determinate dalla cinetica della reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) che si verifica sull’elettrodo dell’aria (catodo). La velocità di reazione sull’elettrodo dell’aria è più lenta di quella dell’elettrodo del carburante (anodo), limitando così la velocità di reazione complessiva. Per superare questa cinetica lenta, i ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali per elettrodi ad aria con un’elevata attività ORR. Tuttavia, questi nuovi materiali in genere mancano ancora di stabilità chimica, il che richiede una ricerca continua.
Il gruppo di ricerca si è invece concentrato sul miglioramento delle prestazioni dell’elettrodo composito LSM-YSZ, un materiale ampiamente utilizzato nell’industria grazie alla sua eccellente stabilità. Di conseguenza, hanno sviluppato un processo di rivestimento per applicare catalizzatori di ossido di praseodimio (PrOx) su scala nanometrica sulla superficie dell’elettrodo composito, che promuove attivamente la reazione di riduzione dell’ossigeno. Applicando questo processo di rivestimento, hanno migliorato significativamente le prestazioni delle celle a combustibile a ossido solido.
*Elettrodo composito LSM-YSZ: composto da perovskite elettricamente conduttiva LSM (lantanio stronzio manganite) e elettrolita conduttivo di ioni di ossigeno YSZ (zirconia stabilizzata con yttria), questo materiale è tradizionalmente e ampiamente utilizzato nel settore come elettrodo ad aria grazie alle sue eccellenti proprietà termiche e compatibilità chimica.
Il gruppo di ricerca ha introdotto un metodo di deposizione elettrochimica che funziona a temperatura ambiente e pressione atmosferica, senza richiedere apparecchiature o processi complessi. Immergendo l’elettrodo composito in una soluzione contenente ioni praseodimio (Pr) e applicando una corrente elettrica, gli ioni idrossido (OH-) generati sulla superficie dell’elettrodo reagiscono con gli ioni praseodimio, formando un precipitato che riveste uniformemente l’elettrodo. Questo strato di rivestimento subisce un processo di essiccazione, trasformandosi in un ossido che rimane stabile e promuove efficacemente la reazione di riduzione dell’ossigeno dell’elettrodo in ambienti ad alta temperatura. L’intero processo di rivestimento richiede solo 4 minuti.
*Deposizione elettrochimica catodica (CELD): un metodo che utilizza reazioni elettrochimiche per depositare metalli o composti metallici sulla superficie di un elettrodo.
Inoltre, il gruppo di ricerca ha chiarito il meccanismo mediante il quale il nanocatalizzatore rivestito promuove lo scambio di ossigeno superficiale e la conduzione ionica. Hanno fornito prove fondamentali del fatto che il metodo di rivestimento del catalizzatore può affrontare la bassa velocità di reazione dell’elettrodo composito.
Facendo funzionare l’elettrodo composito rivestito di catalizzatore sviluppato e l’elettrodo composito convenzionale per oltre 400 ore, il team ha osservato che la resistenza alla polarizzazione era ridotta di dieci volte. Inoltre, la SOFC che utilizza questo elettrodo rivestito ha mostrato una densità di potenza di picco tre volte superiore (142 mW/cm² → 418 mW/cm²) rispetto a quella dell’involucro non rivestito, a 650 gradi Celsius. Ciò rappresenta la prestazione più alta riportata in letteratura per le SOFC che utilizzano elettrodi compositi LSM-YSZ.
Il dottor Yoonseok Choi, autore co-corrispondente, ha dichiarato: “La tecnica di deposizione elettrochimica che abbiamo sviluppato è un post-processo che non ha un impatto significativo sul processo di produzione esistente dei SOFC. Ciò lo rende economicamente fattibile per l’introduzione di nano-catalizzatori di ossido, migliorandone il suo potenziale industriale”. applicabilità.” Ha aggiunto: “Ci siamo assicurati una tecnologia di base che può essere applicata non solo alle SOFC ma anche a vari dispositivi di conversione dell’energia, come l’elettrolisi ad alta temperatura (SOEC) per la produzione di idrogeno”.(30Science.com)
