Atomic layer deposition of platinum catalyst for fuel cell electrodes

Current state of the art PEM Fuel Cells, despite from all the advantages shown, are not convenient with respect to more established technologies due to the high cost of the materials exploited. Material research is moving towards the reduction of the platinum content and the improvement of the catalyst’s stability. Nano-Structured Thin Films (NSTF) have been selected as a promising solution that, thanks to the precise control of the morphology and the distribution of the platinum catalyst, could allow to achieve ultra-low metal loadings and high Electro-Chemical Surface Area (ECSA). In this work, Atomic Layer Deposition (ALD) is employed with the objective of conformally cover Titanium Nitride nanostructured supports. ALD is one of the best technique available to have a complete control onto the growing film, both from the point of view of the purity (that depends only on the purity of the precursors) and of the coverage uniformity (guaranteed by the self-limiting nature of the process) so that it could theoretically enable to exploit to the fullest the properties of the nanostructured substrate. Moreover, thanks to growth control characteristic of ALD, reduction of the platinum loading can be achieved, thus increasing the active mass of platinum itself. In this work, the required ALD process is designed and developed in a custom-made instrumental setup, and conformality, physical properties and electrochemical performances of the deposited film are evaluated.

Le celle a combustibile PEM realizzate secondo lo stato dell’arte, nonostante gli innumerevoli vantaggi mostrati, non sono convenienti rispetto a tecnologie più consolidate a causa dell'elevato costo dei materiali utilizzati. La ricerca sui materiali si sta spostando verso la riduzione del contenuto di platino e il miglioramento della stabilità del catalizzatore. I Nano-Structured Thin Film (film sottili nanostrutturati) sono stati selezionati come una soluzione promettente che, grazie al controllo preciso della morfologia ed alla distribuzione uniforme del catalizzatore di platino, potrebbe consentire di ottenere loading metallici estremamente bassi ed un'elevata superficie elettrochimica (ECSA). In questo lavoro, la tecnica Atomic Layer Deposition (ALD) viene utilizzata con l'obiettivo di ricoprire in modo conforme supporti nanostrutturati di nitruro di titanio. L'ALD è una delle migliori tecniche disponibili per avere un controllo completo sul film in crescita, sia dal punto di vista della purezza (che dipende solo dalla purezza dei precursori) sia dall'uniformità di ricoprimento (garantita dalla natura autolimitante del processo). Questa tecnica, quindi, può consentire, a livello teorico, di sfruttare al massimo le proprietà del substrato nanostrutturato. Inoltre, grazie al caratteristico controllo tipico della crescita ALD, è possibile ottenere una riduzione del carico di platino, aumentando così la massa attiva del platino stesso. In questo lavoro il processo ALD necessario per conseguire gli obiettivi prefissati viene progettato e sviluppato in una configurazione strumentale prototipale e vengono valutate la conformità, le proprietà fisiche e le prestazioni elettrochimiche del film depositato.