A rational approach to the optimization of efficient electrocatalysts for the next generation Fuel Cells

Il progetto di dottorato nasce all’interno del gruppo di ricerca di Superfici e Catalizzatori operante nel dipartimento di Scienze Chimiche, nell’ambito della borsa a titolo vincolato “Un approccio razionale alla ottimizzazione di elettrocatalizzatori efficienti per le celle a combustibile di nuova generazione”, finanziata da fondazione CARIPARO. Le tematica è stata focalizzata sulla preparazione e caratterizzazione di nuovi materiali a base di carbonio utilizzabili per applicazioni in celle a combustibile di tipo PEMFCs (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) ad ossigeno-idrogeno. La preparazione dei materiali è avvenuta facendo uso di differenti tecniche, in relazione al tipo di materiale oggetto di studio ed alle applicazioni che tali materiali possono offrire. Con riferimento allo studio dei sistemi modello (grafite pirolitica altamente orientata, HOPG, e carbonio vetroso, GC), il drogaggio degli stessi mediante l’introduzione di eteroatomi (in particolare azoto) è avvenuto ricorrendo alla tecnica dell’impiantazione ionica, mentre lo studio di nuove funzionalità chimiche è stato permesso dall’utilizzo di tecniche di Wet Chemistry, in particolare mutuate dalla sintesi elettrochimica. La deposizione di film sottili o di nanoparticelle (metalliche o a base di ossidi di metalli di transizione) su tali materiali modificati è stata effettuata facendo uso di tecniche avanzate come la deposizione fisica da fase vapore (PVD) in condizioni controllate di Ultra Alto Vuoto (UHV), in grado di offrire un controllo su scala atomica della deposizione di tali film. Sono state utilizzate anche tecniche di deposizione tradizionali quali la riduzione chimica o elettrochimica di opportuni precursori metallici: l‘utilizzazione di una siffatta combinazione sinergica tra tali differenti tecniche di preparazione ha permesso di ottenere materiali caratterizzati da strutture e proprietà peculiari. La caratterizzazione di tali materiali è svolta utilizzando le facilities del gruppo di Scienza delle Superfici, come la spettroscopia di fotoelettroni (XPS) o della banda di valenza (UPS), la microscopia ad effetto tunnel o a forza atomica (STM - AFM), la microscopia elettronica e la dispersione energetica dei raggi X indotta dagli elettroni (SEM-EDX), la diffrazione di elettroni lenti (LEED). Allo scopo di caratterizzare maggiormente in dettaglio la struttura e le proprietà chimiche dei materiali preparati sono state usate estensivamente le tecniche di indagine offerte dalla luce di sincrotrone (HR-XPS, NEXAFS, ARPES, ResPES, PEEM), mentre lo studio della reattività catalitica si basa su tecniche derivate dall’analisi elettrochimica, in particolare la voltammetria ciclica ed a scansione lineare del potenziale applicato, nonchè tecniche elettro-dinamiche come la voltammetria su elettrodo rotante. Infine, allo scopo di supportare i dati sperimentali o portare la comprensione delle proprietà dei materiali ad un livello più profondo, simulazioni mediante teoria del funzionale densità (DFT) sono state adottate per un approccio critico allo studio dei materiali preparati (in collaborazione con il gruppo coordinato dalla prof. Cristiana Di Valentin, Università di Milano Bicocca). Durante il corso del dottorato, diverse collaborazioni sono state perseguite con gruppi interni al Dipartimento di Scienze Chimiche o anche Esteri, come l’unità di ricerca “Interfaces and Energy Conversion E19”, dell’università tecnica di Monaco di Baviera (TUM, Technische Universität München, Germania), coordinata dai proff. O. Schneider e J. Kunze-Liebhäuser.