Catalizzatori nelle fuel cell: un gruppo di ricerca ha scoperto come funzionano

Nelle celle a combustibile i catalizzatori non servono a ripulire i gas di scarico, ma a generare direttamente energia elettrica: qui l'idrogeno non viene bruciato, bensì trasformato in corrente attraverso reazioni elettrochimiche che senza questi materiali procederebbero molto più lentamente. Le reazioni chiave avvengono nell'anodo, dove l'idrogeno si scinde in protoni ed elettroni, e nel catodo, dove ossigeno, protoni ed elettroni si ricombinano in acqua, ma per renderle sfruttabili dal punto di vista tecnico servono superfici catalitiche estremamente attive e stabili.

Un team del Fritz Haber Institute della Max Planck Society di Berlino ha analizzato in profondità questo meccanismo, concentrandosi su quattro diversi catalizzatori per celle a combustibile e osservando come la loro attività vari al variare di tensione e pressione. L'obiettivo è colmare un vuoto di conoscenza: nonostante il ruolo centrale dei catalizzatori nelle tecnologie a idrogeno, i processi elettrochimici che avvengono realmente su scala atomica restano ancora poco esplorati in condizioni operative realistiche.

Per decenni molti modelli hanno interpretato il comportamento dei catalizzatori puntando tutto su un'unica fase limitante, la classica reazione "collo di bottiglia" che rallenta l'intero processo. Il nuovo studio mostra che la realtà è più sfaccettata: a seconda della tensione applicata entrano in gioco diversi passaggi determinanti, ognuno con il proprio peso sui parametri di attivazione che definiscono la velocità complessiva della cella.

Il gruppo guidato da Sebastian Öner propone un quadro cinetico che permette di leggere in modo più accurato i dati di spettroscopia e microscopia. All'interno di questo schema diventano centrali gli effetti dinamici di sovrapotenziale e pressione sulle proprietà microscopiche della superficie, elementi che in passato venivano spesso semplificati o trattati in modo separato.

Questa nuova prospettiva non consegna un prodotto pronto per il mercato, ma ridefinisce le fondamenta teoriche delle reazioni nelle celle a combustibile. Inoltre, i risultati possono contribuire a tenere meglio in conto le condizioni reali di esercizio, dalla variabilità del carico alle oscillazioni di temperatura, con benefici diretti per chi sviluppa stack destinati a veicoli, sistemi stazionari o applicazioni portatili.

Le implicazioni più concrete riguardano la possibilità di ottimizzare i catalizzatori e ridurre il fabbisogno di platino, metallo prezioso e costoso che oggi incide in modo importante sul prezzo delle celle a combustibile. Una gestione più fine dei meccanismi reattivi può tradursi anche in una maggiore robustezza contro l'avvelenamento dei siti attivi e in una durata superiore sotto cicli di carico ripetuti, fattore decisivo per l’adozione su larga scala delle tecnologie a idrogeno.

Il lavoro del Fritz Haber Institute offre quindi un nuovo set di strumenti concettuali che può guidare la ricerca accademica e industriale verso fuel cell più efficienti e longeve. Questo renderebbe l'idrogeno una soluzione energetica ancora più credibile per mobilità e generazione elettrica. Le prossime generazioni di catalizzatori potrebbero nascere proprio da questo cambio di prospettiva, con materiali progettati fin dall'inizio per sfruttare l'intero spettro di condizioni operative e non solo un singolo passaggio ritenuto limitante.

Le fuel cell sono dispositivi elettrochimici che trasformano direttamente l'energia chimica di un combustibile, di solito idrogeno, in energia elettrica più calore, senza passare da una combustione con fiamma come nei motori tradizionali. In pratica funzionano come una "batteria che non si scarica mai" finché arrivano idrogeno all'anodo e ossigeno (o aria) al catodo: ai due elettrodi avvengono reazioni di ossidoriduzione che consumano i gas e producono acqua, calore ed elettroni che scorrono in un circuito esterno generando corrente.

​Nonostante il rendimento elevato e le emissioni locali limitate al vapore acqueo, finora le fuel cell, tuttavia, non hanno avuto un'adozione di massa per vari motivi, tra cui il costo elevato dei materiali (soprattutto il platino dei catalizzatori) e degli stack, che rende i sistemi più cari rispetto alle soluzioni a combustione interna o alle batterie. Inoltre, l'infrastruttura per l'idrogeno è ancora poco sviluppata, con pochi impianti di produzione "verde", logistica complessa e rete di rifornimento minima. E poi ci sono problematiche tecniche legate a durata, sensibilità alle impurità del gas, gestione termica e avviamento a freddo, che rendono l'esercizio e la manutenzione più delicati.