Anagrafe della ricerca

Attualmente, la ricerca è volta a sviluppare catalizzatori costituiti da ossidi metallici economici ed abbondanti in natura e, all'interno di questa classe, l’ossido ferrico (Fe2O3) ha dimostrato un'importante attività catalitica in molti sistemi elettrochimici, ma il suo ruolo nella catalisi delle celle litio-ossigeno non acquose rimane ancora in gran parte inesplorato. Il Fe2O3 a/g, molto economico ed ecologico e il Fe2O3 supportato su materiali come carbon Super P o grafene hanno mostrato solo marginali prestazioni elettrochimiche e basse attività catalitiche in batterie Li–O2. Il Fe2O3 a supportato su CNT ha mostrato prestazioni ORR migliori e che coinvolgono quattro elettroni nei percorsi di riduzione dell’ossigeno in elettrolita “acquoso” ma è raro trovare studi che riportino i meccanismi di ORR in elettroliti organici. Una progettazione razionale dei catalizzatori utilizzati nelle celle litio-ossigeno dovrebbe quindi tener conto dei seguenti fattori: (1) vi è la necessità di un catalizzatore altamente conduttivo su substrato poroso, che garantisca un'elevata conduttività elettronica e un rapido trasporto dei liquidi/gas; (2) le particelle catalitiche devono essere nanostrutturate in modo da aumentare l'utilizzo del catalizzatore; (3) i siti catalitici devono essere ben dispersi per migliorare la cinetica OER/ORR; (4) il catalizzatore deve essere a basso costo compatibile con l’ambiente. Pertanto, un catalizzatore a base di Fe2O3 uniformemente e altamente disperso su un supporto di carbonio conduttivo sembra essere una scelta ragionevole come elettrodo ad ossigeno. Tuttavia, i metodi di fabbricazione convenzionali presentano inconvenienti come la scarsa distribuzione delle particelle e la scarsa aderenza tra il catalizzatore e il supporto nonché l’eventuale distruzione dell'originale struttura porosa del substrato. Recentemente, la tecnica di deposizione di strati atomici (ALD) è stata utilizzata con successo per la deposizione di film sottili e nanostrutture di metalli, con un'ampia gamma di applicazioni in campi quali la microelettronica, la conversione di energia, i sensori, la catalisi, le membrane e i dispositivi di rilevamento. Tale tecnica, consente un controllo preciso della quantità di materiale catalitico depositato sulle superfici con diverse sostanze chimiche precursori e condizioni di lavoro personalizzabili. Con questa tecnica si possono produrre nanostrutture come singoli atomi, nanocluster, nanoparticelle core/shell e film continui ultrasottili. Questa tecnica di preparazione apre nuove prospettive nella preparazione di materiali catalitici a base di ossidi di metalli non preziosi e dimostra il potenziale dell’utilizzo dei nanomateriali in quanto procede con l’introduzione e la rimozione dei precursori in fase di vapore, durante la quale hanno luogo le reazioni superficiali. È interessante notare che l'ALD è particolarmente applicabile anche alle strutture porose 3D, che raramente vengono rivestite in modo uniforme con altre tecniche di deposizione in fase gassosa. Questi meriti rendono ALD una scelta eccezionale per la progettazione e fabbricazione di materiali catalitici nanostrutturati. Per esempio, Sun et al. hanno sviluppato un nuovo materiale catalitico a base di Co3O4 nanostrutturato e decorato su CNT (CNT@Co3O4) ottenuto tramite ALD e utilizzato come a catalizzatore per batterie Na-aria, che hanno dimostrato prestazioni migliori e una durata dei cicli carica/scarica più elevata. Lo scopo di questa ricerca è di sintetizzare nanoparticelle di Fe2O3 direttamente sulla superficie di gas diffusion layers (GDLs) commerciali attraverso la tecnica ALD e testare la loro attività come catalizzatori negli elettrodi ad ossigeno delle celle litio-ossigeno a base organica. Per confronto, si prepareranno anche nanocompositi con Fe2O3 che verranno depositati su tipi diversi di GDLs. Le prestazioni elettrochimiche dei catalizzatori negli elettrodi ad ossigeno verranno valutate mediante tecniche galvanostatiche, voltammetria ciclica (CV) e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). La caratterizzazione morfologica e strutturale dei materiali prodotti verrà studiata prevalentemente mediante diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX). Proponiamo anche di discutere e chiarire in dettaglio il ruolo e i meccanismi del catalizzatore al catodo delle celle litio-ossigeno.