Catalizzatori non nobili del tipo Fe-N-C per celle a combustibile a bassa temperatura = Fe-N-C non-noble catalysts for low temperature fuel cells

Le celle a combustibile offrono un metodo di produzione di energia sostenibile ed efficiente, ma la loro commercializzazione è ostacolata dai notevoli costi di capitale dovuti all'uso di catalizzatori a base di Platino (Pt). L’individuazione di catalizzatori che non siano costituiti da platino (PGM-free) e che riescano ad essere altamente attivi e durevoli, ha visto negli ultimi anni notevoli progressi. Lo studio di catalizzatori privi di platino ha portato allo sviluppo di nuovi materiali costituiti da un metallo di transizione (M: Fe, Co, o / e Mn) e da carbonio co-drogato con azoto (M – N – C) come l'alternativa più promettente ai catalizzatori nobili. Fra questi, i più interessanti sono i composti Fe-N-C in cui il ferro è disperso atomicamente su un carbone poroso, drogato con azoto. La sfida più considerevole degli attuali catalizzatori M-N-C è l’insoddisfacente stabilità e il rapido degrado delle prestazioni. In questo elaborato si è svolto un approfondito studio di letteratura riguardante i diversi tipi di catalizzatori (Fe-N-C) per le celle a combustibile a bassa temperatura. L’idea di base che ha guidato questo lavoro di ricerca è di voler approfondire il mondo dei catalizzatori non nobili per le fuel cells, cercando di mettere in luce degli aspetti, concetti, comuni tra i materiali catalitici. Si è cercato di riassumere i recenti progressi nello sviluppo di catalizzatori M – N – C per la reazione di riduzione dell'ossigeno, focalizzandosi su determinati e specifici descrittori di attività, stabilità e reattività. Basandosi su questi descrittori, è stata condotta un’analisi scrupolosa e dettagliata di moltissimi articoli di letteratura, raccogliendo dagli stessi una moltitudine di dati. Sono stati analizzati moltissimi elettro-catalizzatori del tipo Fe-N-C, sintetizzati a partire da tre diverse famiglie di precursori: a base di polimeri, macrocicli e piccole molecole organiche. Le metodiche e le condizioni operative con le quali sono stati sviluppati si differenziano tra loro per diversi aspetti tra cui: temperatura e durata dello step di pirolisi, eterogeneità dei precursori usati, differente quantitativo e rapporto dei vari precursori e per moltissime altre variabili. La fase di raccolta dati ha permesso l’elaborazione di una serie di tabelle che riportano vari parametri che descrivono composizione, attività, reattività e stabilità dei vari catalizzatori. A partire da questi parametri sono stati realizzati dei grafici binari, con lo scopo di evidenziare e di trovare un aspetto/trend comune tra i vari materiali catalitici, al fine di rilevare un comportamento generale. Tra le possibili correlazioni che si possono instaurare, tra i descrittori di struttura e di performance, quelle di maggiore interesse riguardano l'attività del materiale catalitico con la quantità di azoto atomico, pirrolico, piridinico e grafitico.