Catodi a diffusione di gas privi di ionomero ad alte prestazioni con basso carico di Pt per l’elettrolisi dell’acqua a membrana a scambio protonico

Trasformare l’acqua in carburante con meno metallo prezioso

L’idrogeno prodotto da acqua ed elettricità rinnovabile è spesso presentato come un combustibile pulito per l’industria pesante, la navigazione e lo stoccaggio energetico a lungo termine. Ma i dispositivi più efficienti oggi per scindere l’acqua si basano su grandi quantità di platino, uno dei metalli più rari e costosi del pianeta. Questo studio mostra un modo per utilizzare quasi cento volte meno platino su un lato di questi dispositivi, senza sacrificare prestazioni o stabilità, avvicinando l’idrogeno verde a un’opzione più conveniente.

Perché ridurre l’uso del platino è importante

Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico moderni—dispositivi compatti che separano l’acqua in idrogeno e ossigeno—funzionano bene ma dipendono fortemente da due metalli “nobili” scarsi. L’iridio guida la reazione di formazione dell’ossigeno all’anodo, mentre il platino alimenta la formazione dell’idrogeno al catodo. Sebbene il platino sia un eccellente catalizzatore in laboratorio, nei dispositivi reali gran parte di esso è sommersa in uno strato spesso miscelato con un legante ionico plastico. Solo una frazione del metallo entra in contatto simultaneamente con acqua, gas e membrana, condizione necessaria perché la reazione proceda. Di conseguenza i produttori compensano aggiungendo più platino, aumentando sia i costi sia la domanda di materiale.

Un metodo in un solo passaggio per posizionare gli atomi con precisione

I ricercatori hanno affrontato questo problema ripensando la costruzione del catodo. Invece di preparare un’inchiostro liquido e spruzzarlo su un supporto, hanno usato una tecnica a base gassosa chiamata deposizione atomica a strati (ALD). Nell’ALD la superficie è esposta a impulsi alternati di un vapore contenente platino e di un gas reattivo, permettendo al platino di crescere come nanoparticelle minute e ben separate, strato dopo strato. Hanno applicato questo processo direttamente su un layer commerciale a diffusione di gas—una lastra di carbonio porosa che lascia passare acqua e gas—eventualmente rivestita con un ulteriore sottile “strato microporoso” che liscia la superficie. Regolando il numero di cicli ALD, potevano controllare sia quanti atomi di platino si depositavano sia quanto crescevano le particelle, il tutto con precisione nanometrica.

Costruire uno strato catodico più sottile e più intelligente

Immagini accurate e analisi di superficie hanno confermato che il metodo ALD produceva nanoparticelle di platino uniformi situate principalmente sulla superficie esterna del supporto anziché penetrate in profondità. Sullo strato microporoso le particelle erano particolarmente piccole e distribuite in modo omogeneo, con dimensioni spesso inferiori a due nanometri al carico metallico più basso. Poiché questo sottile e liscio strato fa buon contatto con la membrana polimerica pur rimanendo idrorepellente, favorisce la fuga delle bolle di idrogeno e mantiene un rifornimento d’acqua fresco ai siti attivi. Test elettrici in celle elettrolizzatrici complete hanno mostrato che questi nuovi catodi, anche con quantità di platino estremamente basse comprese tra circa 1 e 5 microgrammi per centimetro quadrato, potevano eguagliare o superare elettrodi di riferimento commerciali il cui contenuto di platino è più di cento volte superiore.

Prestazioni, efficienza e resistenza nel tempo

Per capire come e perché il nuovo design funzioni così bene, il team ha scomposto la tensione della cella in contributi dovuti alla velocità di reazione, alla resistenza elettrica e al trasporto dei gas. Hanno scoperto che quando il platino veniva posizionato su uno strato microporoso tramite ALD, la velocità della reazione di formazione dell’idrogeno restava paragonabile a quella degli elettrodi convenzionali ricchi di platino, nonostante il contenuto metallico drasticamente inferiore. Allo stesso tempo, la regione catalitica più sottile e ben organizzata riduceva i problemi di accumulo di gas che altrimenti possono sprecare energia. Quando i ricercatori normalizzarono le prestazioni in base alla massa effettiva di platino, il vantaggio divenne chiaro: i loro migliori catodi privi di ionomero mostrarono attività di massa fino a tre ordini di grandezza superiori rispetto ai dispositivi commerciali standard e superarono i migliori risultati finora riportati in letteratura scientifica.

Dimostrare la durabilità in condizioni realistiche

Usare meno platino ha senso solo se il dispositivo rimane stabile durante l’uso prolungato e sotto la potenza fluttuante tipica dell’eolico e del solare. Il team ha quindi testato i loro migliori elettrodi per 200 ore a elevata corrente, equivalente a tassi di produzione di idrogeno rilevanti industrialmente. La tensione della cella è rimasta quasi costante, con solo una minima degradazione. In un test separato che simulava rapidi sbalzi di potenza—facendo cicli tra valori di tensione bassi e alti per 25.000 cicli—gli elettrodi hanno mostrato ancora una volta solo piccole perdite di prestazione. Misure elettriche prima e dopo questi test hanno indicato che né l’attività intrinseca del platino né la resistenza complessiva della cella sono cambiate in modo apprezzabile.

Cosa significa per l’idrogeno verde

In termini semplici, questo lavoro mostra come “usare ogni atomo con saggezza”. Posizionando il platino esattamente dove serve, in un sottile strato all’interfaccia tra un supporto poroso liscio e la membrana, i ricercatori ottengono la stessa produzione di idrogeno con circa il 99,5% in meno di platino al catodo rispetto ai progetti commerciali odierni. Poiché il processo ALD può essere adattato alla produzione roll-to-roll, similmente alla stampa dei giornali, offre una via realistica verso la fabbricazione su larga scala. Se combinato con sforzi paralleli per ridurre l’uso di iridio all’anodo, tali progressi potrebbero rendere la produzione su larga scala di idrogeno verde efficiente sia dal punto di vista tecnico sia economico.

Citazione: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

Parole chiave: idrogeno verde, elettrolisi dell'acqua, catalizzatore al platino, deposizione atomica a strati, elettrodo a diffusione di gas