Catalizzatori per riduzione di ossigeno a base cobalto e ferro supportati su carbone

Il lavoro effettuato durante il periodo di tesi riguarda la preparazione di catalizzatori per la riduzione di ossigeno in pile a combustibile funzionanti a bassa e media temperatura (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells). In questi dispositivi la reazione cineticamente difficile, che condiziona l’efficienza energetica complessiva, è la riduzione di ossigeno. Questo vale indipendentemente dal tipo di combustibile utilizzato. Al fine di superare questo impedimento cinetico si usano catalizzatori che attualmente sono a base di platino o di sue leghe con metalli di transizione come ferro e cromo. Tra i materiali catalitici che si stanno studiando sono di particolare interesse i carboni modificati per introduzione di gruppi azoto eventualmente addittivati con cationi di metalli di transizione (Fe, Co). Per questo motivo sono stati sintetizzati carboni funzionalizzandoli con ammine in modo da aumentarne la normale affinità per ferro e cobalto. In particolare si sono usate diammine e triammine (es: 1,6-diamminoesano, dietilentriammina) in condizioni tali da bloccare solo uno dei gruppi amminici con un legame ammidico con i gruppi carbossilici del carbone, lasciando gli altri gruppi amminici liberi di reagire ulteriormente coordinando i cationi di transizione impiegati. I materiali sono stati preparati con trattamento termico a due stadi. Il primo stadio a T=140-200°C è finalizzato alla ammidazione del carbone, mentre il secondo stadio consiste nel drogaggio con ferro e cobalto e da un trattamento a T=700°C in atmosfera riducente. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati con voltammetria ciclica su elettrodo a disco rotante per evidenziare il ruolo relativo del trasferimento di massa di ossigeno rispetto alla velocità della reazione di riduzione. Nella maggior parte dei materiali ottenuti i risultati mostrano che la reazione di riduzione di ossigeno è cineticamente lenta, con una componente diffusiva debole o nulla. Nonostante questo, alcuni tra i materiali ottenuti hanno una attività catalitica non trascurabile che si ritiene di poter migliorare ulteriormente.