Nanostructured titanium nitride by pulsed laser deposition as support for fuel cell catalysts

Current state of the art polymeric fuel cells, despite the high-power density they can develop, still suffer from durability issues, experiencing severe corrosion at the cathode during operation. Moreover, the high cost of the material makes them not convenient with respect to more established technologies. Material research is moving towards the reduction of the platinum content and the improvement of the catalyst’s stability. Nanostructured thin films have been selected as a promising solution because thanks to the precise control of the morphology and the distribution of the platinum catalyst it could be possible to achieve ultra-low metal loadings. In this work, Pulsed Laser Deposition is employed as an alternative to manufacture nanostructured catalyst supports, Titanium Nitride has been used to fabricate supported catalysts for the oxygen reduction reaction, thanks to its electrical conductivity and outstanding chemical stability. Moreover, a method to implement our nanostructured films in MEAs is proposed. Performances of our materials are evaluated and chemical stability is verified, for both the catalyst and the MEA cathode. At last, a preliminary investigation on the photo activity of our scaffolds is presented, exploiting methanol oxidation as the target reaction.

Le celle a combustibile polimeriche all’attuale stato dell’arte, nonostante l’alta densità di potenza che possono sviluppare, continuano a soffrire di problemi di durata, dovuta a gravi fenomeni di corrosione al catodo durante il funzionamento. Inoltre, l'alto costo dei materiali non li rende convenienti rispetto a tecnologie più consolidate. La ricerca sui materiali si sta spostando verso la riduzione del contenuto di platino e il miglioramento della stabilità del catalizzatore. I film sottilinanostrutturati sono stati selezionati come soluzione promettente perché grazie al controllo preciso della morfologia e alla distribuzione del catalizzatore di platino, è possibile ottenere bassi carichi catalitici. In questo lavoro, la deposizione a laser pulsato viene utilizzata come alternativa alla produzione di supporti nanostrutturati, il nitruro di titanio è stato utilizzato per fabbricare catalizzatori supportati per la reazione di riduzione dell'ossigeno, grazie alla sua conduttività elettrica e alla stabilità chimica eccezionale. Inoltre, viene proposto un metodo per implementare i nostri film nanostrutturati in MEA. Le prestazioni dei nostri materiali vengono valutate e viene verificata la stabilità chimica, sia per il catalizzatore che per il catodo nella MEA. Infine, viene presentata un'indagine preliminare sull'attività fotocatalitica dei nostri supporti come aiuto alla reazione di ossidazione del metanolo.