Model electrocatalysts for fuel cells: a surface science based study

La presente tesi si concentra sullo studio della relazione struttura / morfologia / reattività in elettrodi bimetallici nanostrutturati Pt - Sn per celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM), adottando un rigoroso approccio di scienza delle superfici sviluppato come segue: i) sistemi modello di elettrocatalizzatori sono stati preparati in condizioni di ultra - alto vuoto (UHV) depositando via epitassia da fasci molecolari (MBE) strati ultrasottili (UT) di PtSnx e SnOx su superfici di Pt monocristallino orientate (110), al fine di garantire un controllo fine e riproducibile su scala atomica; ii ) composizione, morfologia e struttura dei film nanostrutturati UT sono stati studiati in situ mediante l'adozione di strumenti di caratterizzazione in linea con le più avanzate tecniche offerte dallo stato dell’arte; iii ) calcoli quanto-meccanici basati sulla teoria del funzionale densità (DFT) sono quindi stati effettuati per determinare la struttura atomica dei film UT, in modo da razionalizzare e supportare i risultati sperimentali ottenuti al punto precedente. Una ricerca sistematica è stata effettuata allo scopo di identificare nuove possibili fasi di superficie di Sn o ossidi di Sn supportate su Pt (110). In questo modo, tre leghe di superficie (di cui una risulta già nota in letteratura) e due ossidi di superficie su Pt (110) sono stati identificati. Le due innovative leghe da film UT, la p(3 × 1) PtSn / Pt (110) e la p(6 × 1) PtSn / Pt (110) possono essere sintetizzate mediante deposizione di Sn su Pt (110), preparando spessori diversi e sottoponendo le superfici così ottenute a trattamenti termici effettuati a diverse temperature. Conseguentemente, l’ossidazione ad alta temperatura delle leghe superficiali ha permesso l’ottenimento di due nuove fasi ossidate di superficie, la (c(2 × 4) SnOx / Pt (110) e la c(4 × 2) SnOx / Pt (110). Infine, data l’elevata flessibilità delle tecniche di preparazione e caratterizzazione offerte dalla scienza delle superfici, è stato possibile delineare con grande accuratezza un diagramma di fase sia per le leghe che per gli ossidi di superficie sopra descritti. Le due nuove leghe superficiali sono state caratterizzate mediante diffrazione di elettroni a bassa energia cinetica (LEED), microscopia a scansione ad effetto tunnel (STM) e spettroscopia di fotoemissione da radiazione di sincrotrone (SRPES). Le immagini STM delle due leghe superficiali sono caratterizzate da una struttura a righe altamente corrugata; i dati di fotoemissione indicano inoltre un complesso intermixing tra Pt e Sn che porta alla formazione di leghe localizzate in prossimità della superficie. Alcuni modelli per le due superfici così ottenute sono state proposte sulla base delle evidenze sperimentali. Tali modelli sono stati poi confrontati con calcoli DFT; in particolare, sono state generate simulazioni di immagini STM che sono state quindi confrontate con i dati sperimentali ed usate come valutazione finale della validità dei modelli proposti. La reattività delle leghe di superficie rispetto al CO è stata studiata sia sperimentalmente, mediante desorbimento termico programmato (TPD), sia ricorrendo a calcoli DFT. I risultati rivelano una scarsa reattività delle due superfici nei confronti del CO a causa dell’energia di adsorbimento inferiore rispetto alla stessa superficie di Pt (110) presa come riferimento; tale fenomenologia indica pertanto il promettente impiego di tali sistemi come catalizzatori caratterizzati da elevata tolleranza al CO. Come già descritto per le leghe di superficie, i due ossidi superficiali (c(2 × 4) SnOx / Pt (110 ) e c(4 × 2) SnOx / Pt (110) ), sono stati studiati mediante LEED, STM e SRPES. Alcuni modelli per le due superfici sono stati proposti sulla base dei risultati sperimentali, la cui validità è stata supportata da calcoli DFT. Il buon accordo tra le immagini STM simulate e i dati sperimentali suggeriscono una buona affidabilità delle strutture proposte. La reattività verso il CO per le due fasi ossidate è stata inoltre indagata mediante TPD supportata da calcoli quantomeccanici. La struttura c(4 × 2), costituita da uno strato UT di SnOx sub-stechiometrico, ha dimostrato di essere poco reattiva, mentre la fase più ossidata c(2 × 4) ha dimostrato di essere in grado di ossidare efficacemente il CO. Lo studio della decomposizione del metanolo sulla fase c(2 × 4), effettuato mediante TPD e SRPES, indica come il metanolo possa essere ossidato in modo efficiente a CO2 e H2O. Tuttavia, i dati sperimentali indicano un meccanismo di ossidazione piuttosto complesso, la cui selettività cambia dinamicamente in base alle condizioni sperimentali. Ad ogni modo, la fase completamente ossidata c(2 × 4) può facilmente ossidare il metanolo a CO2 già a bassa temperatura, tuttavia tale reattività viene progressivamente soppressa non appena inizia la riduzione della fase con la perdita di ossigeno reticolare. In questo regime l’ossidazione del metanolo a CO2 richiede temperature più elevate; in particolare, il meccanismo microscopico della reazione implica la fornitura di ossigeno da parte della fase c(2 × 4) ad isole ridotte di Pt o PtSn, siti nei quali avviene effettivamente la reazione di ossidazione. Con il procedere della decomposizione del metanolo, il progressivo consumo di ossigeno porta ad una drastica soppressione della diffusione di superficie di quest’ultimo. In questo modo, il metanolo viene semplicemente deidrogenato a CO e H2 analogamente a quanto accade sulla superficie pulita di Pt (110), sebbene a temperature inferiori.