Celle a combustibile a etanolo, più ecologiche ed efficienti di quelle a idrogeno grazie alla curcumina

Una tecnica che richiede 100 volte meno energia per convertire in modo efficiente l'etanolo in elettricità

[27 Aprile 2022]

Secondo lo studio “Green synthesis of a novel porous gold-curcumin nanocomposite for super-efficient alcohol oxidation”, pubblicato su Nano Energy da un team di ricercatori indiani e statunitensi, «La curcuma, una spezia che si trova nella maggior parte delle cucine, ha un estratto che potrebbe portare a celle a combustibile più sicure ed efficienti».

Infatti, Apparao M. Rao e Lakshman K. Ventrapragada  del Clemson Nanomaterials Institute (CNI) della Clemson University, Sai Prasad Nayak, Sri Sathya, J. K. Kiran Kumar e Sai Sathish Ramamurthy del Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL India)   hanno scoperto un nuovo modo per combinare la curcumina e le nanoparticelle d’oro per creare un elettrodo che richiede 100 volte meno energia per convertire in modo efficiente l’etanolo in elettricità.

Le celle a combustibile producono elettricità attraverso una reazione chimica invece che con la combustione. Sono utilizzate  per alimentare veicoli, edifici, dispositivi elettronici portatili e sistemi di alimentazione di riserva. Le celle a combustibile a idrogeno sono altamente efficienti e non producono gas serra. Ma, sebbene l’idrogeno sia l’elemento chimico più comune nell’universo, deve essere derivato da sostanze come gas naturale e combustibili fossili perché sulla Terra si trova naturalmente solo in forma composta con altri elementi in liquidi, gas o solidi. L a necessaria estrazione dell’idrogeno aumenta il costo e l’impatto ambientale delle celle a combustibile a idrogeno.  Inoltre, l’idrogeno utilizzato nelle celle a combustibile è un gas compresso, che crea problemi di stoccaggio e il trasporto. L’etanolo, un alcol prodotto dal mais o da altri mangimi di origine agricola, è più sicuro e più facile da trasportare dell’idrogeno perché è un liquido.

Anche se il team di ricerca deve fare altri test, sottolinea che «La scoperta fa fare un passo avanti alla sostituzione dell’idrogeno come materia prima delle celle a combustibile».

Rao, direttore fondatore del CNI, spiega che «Di tutti i catalizzatori per l’ossidazione dell’alcol in un mezzo alcalino, finora quello che abbiamo preparato è il migliore».

Ventrapragada, aggiunge che «Per renderlo un prodotto commerciale con il quale possiamo riempire i nostri serbatoi di etanolo, gli elettrodi devono essere altamente efficienti. Allo stesso tempo, non vogliamo elettrodi molto costosi o substrati polimerici sintetici che non siano ecologici perché vanificano l’intero scopo. Volevamo guardare a qualcosa di verde per il processo di generazione delle celle a combustibile e per realizzare la stessa cella a combustibile».

Per questo i ricercatori si sono concentrati sull’anodo della cella a combustibile, dove viene ossidato l’etanolo o un’altra fonte di alimentazione e Ventrapragada ricorda che «Le celle a combustibile utilizzano ampiamente il platino come catalizzatore. Ma il platino soffre di avvelenamento a causa di intermedi di reazione come il monossido di carbonio. E’ anche costoso».

I ricercatori hanno usato come catalizzatore l’oro e, invece di utilizzare polimeri conduttori, strutture metallo-organiche o altri materiali complessi per depositare l’oro sulla superficie dell’elettrodo, hanno utilizzato la curcumina per la sua unicità strutturale e spiegano che «La curcumina viene utilizzata per decorare le nanoparticelle d’oro per stabilizzarle, formando una rete porosa attorno alle nanoparticelle»- Poi hanno depositato la nanoparticella di oro-curcumina sulla superficie dell’elettrodo a una corrente elettrica 100 volte inferiore rispetto a studi precedenti. Ventrapragada dice che «Senza il rivestimento di curcumina, le nanoparticelle d’oro si agglomerano, riducendo la superficie esposta alla reazione chimica».

Rao evidenzia che «Senza questo rivestimento di curcumina, le prestazioni sono scarse. Abbiamo bisogno di questo rivestimento per stabilizzare e creare un ambiente poroso attorno alle nanoparticelle, e quindi fanno un ottimo lavoro con l’ossidazione dell’alcol. C’è una grande spinta nel settore per l’ossidazione dell’alcol. Questa scoperta è un suo ottimo abilitatore. Il passo successivo è aumentare il processo e lavorare con un collaboratore industriale che possa effettivamente realizzare le celle a combustibile e costruire pile di celle a combustibile per l’applicazione reale».

Ma la ricerca potrebbe avere implicazioni più ampie rispetto al miglioramento delle celle a combustibile. Ventrapragada sottolinea che «Le proprietà uniche dell’elettrodo potrebbero prestarsi ad applicazioni future in sensori, supercondensatori e altro».

In collaborazione con il team di ricerca SSSIHL, il team di Rao sta testando l’elettrodo come sensore che potrebbe aiutare a identificare i cambiamenti nel livello di dopamina. La dopamina è implicata in disturbi come il morbo di Parkinson e il disturbo da deficit di attenzione e iperattività. I ricercatori hanno testato campioni di urina di volontari sani, hanno potuto misurare con questo elettrodo la dopamina nel range clinico approvato, utilizzando un metodo economico rispetto a quelli standard odierni»

Ventrapragada conclude: «Nelle fasi iniziali del progetto, non immaginavamo che la curcumina rivestita d’oro potesse supportare altre applicazioni. Tuttavia, prima della fine degli esperimenti di ossidazione dell’alcol, eravamo abbastanza fiduciosi che altre applicazioni fossero possibili. Anche se non abbiamo una comprensione completa di ciò che sta accadendo a livello atomico, sappiamo per certo che la curcumina sta stabilizzando le nanoparticelle d’oro in un modo che può prestarsi ad altre applicazioni».