Membri del gruppo.
Prof. Roberto Biagi, Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche
Prof.ssa Valentina De Renzi, Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche
Attività di ricerca
UniMORE-FAR2019 “Enhancing performances and usability of Fuel Cells for clean energy production: novel CARbon based COmposite Materials for Bipolar Plates (CARCOM) 2019-2022
Il progetto Carcom ha visto la collaborazione scientifica tra componenti dei dipartimenti DSCG, FIM, DIEF. L’obiettivo del progetto era la sintesi di materiali compositi innovativi a base carbonio destinati alla realizzazione di piatti bipolari (BP), un componente fondamentale delle celle di tipo PEM (Proton Exchange Membrane).
I dispositivi PEM sono utilizzati sia nelle celle a combustibile (FC, convertitori da H2 a energia elettrica) che negli elettrolizzatori (convertitori da energia elettrica a H2), quindi per la produzione di idrogeno verde a partire da fonti solari (fotovoltaico, eolico, …). I dispositivi PEM trovano inoltre impiego come compressori per l’idrogeno. Tra le varie tipologie di elettrolizzatori, i dispositivi PEM sono i più adatti ad essere associati alle fonti intermittenti come quelle di origine fotovoltaica ed eolica, dal momento che sono in grado di mantenere una buona efficienza su un ampio intervallo dinamico della potenza di ingresso.
Nell’ambito del progetto, il nostro gruppo si è occupato della caratterizzazione di due dei parametri fondamentali di questi componenti: la conducibilità elettrica e la permeabilità all’idrogeno. Sui BPs delle FCs arrivano sia idrogeno che ossigeno (o aria), attraverso canali posti su facce opposte dello stesso BP. In aggiunta, i BPs hanno anche canali in cui scorre fluido per il raffreddamento della FC. L’idrogeno non deve poter fluire nelle zone riservate agli altri fluidi, soprattutto per questioni di sicurezza, oltre che per le perdite connesse. La massima permeabilità consentita è perciò stabilita a livello internazionale.
Il progetto Carcom è formalmente terminato a gennaio scorso, ma l’attività sta proseguendo, forte dei buoni risultati conseguiti e conseguibili in prospettiva, non ultimo l’interesse sul lavoro svolto riscosso presso aziende rilevanti nel settore, con alcune delle quali sono in corso collaborazioni, soprattutto per quanto riguarda l’industrializzazione del processo.
Progetti in corso
Caratteristica comune a tutti è il fortissimo grado di interdisciplinarietà, irrinunciabile e cruciale per affrontare sistemi complessi con l’obiettivo di raggiungere risultati applicativi basati sul loro controllo a tutti i livelli, a partire da quello microscopico.
MITE – Bando A
“Analisi in-operando multidisciplinare per l’evoluzione e l’efficientamento dei sistemi PEM (AIOM-PEM, 4 M€))”
Studio dettagliato dei meccanismi fondamentali finalizzato allo sviluppo dei dispositivi PEM (celle a combustibile, elettrolizzatori, compressori). In particolare, studio di catalizzatori innovativi, dei loro meccanismi di lavoro, dei meccanismi di deterioramento e invecchiamento dei componenti della MEA. Studio condotto principalmente mediante analisi in-operando mediante spettroscopie basate su assorbimento di raggi X e di fotoemissione in condizioni ambiente.
PRIN_2022:
Hydrogen Advanced Solutions for Water EleCtrolysis and solid-state Storage (HAWCS, 250 K€)
Idrogeno: Sistema integrato di produzione per elettrolisi e stoccaggio in idruri metallici con immagazzinamento e gestione dei calori latenti dei processi coinvolti
FAR-UniMORE_2022:
Water splitting goes CHIral: designing Metal-Organic Frameworks for spin control in H2 production
(CHIMOF-H2, 70 K€)
Sviluppo di catalizzatori innovativi basati su proprietà chirali, anche mediante analisi in-operando mediante spettroscopie basate su assorbimento di raggi X
Competenze e Strumentazione
Il gruppo ha una consolidata esperienza nell’utilizzo di tecniche fisiche che ha attivamente applicato nel corso dell’attività fin qui svolta, soprattutto nell’ambito del citato progetto CARCOM, dove si è occupato di misure di conducibilità elettrica e di permeabilità ai gas, sfruttando la pluridecennale esperienza nei sistemi da vuoto.
In prospettiva, tuttavia, la forza più rilevante del gruppo risiede nell’altrettanto consolidata esperienza nell’utilizzo tecniche di analisi spettroscopica sensibili alla specie atomica elementare e al suo numero di ossidazione, a cui si aggiunge la conoscenza delle tecniche e delle tecnologie di contorno. Si tratta di tecniche molto potenti, che permettono di identificare i composti per via spettroscopica, anche DURANTE il funzionamento di un dispositivo. Significa poter analizzare i catalizzatori e gli altri materiali osservandone il comportamento e l’evoluzione nel tempo, potendone carpire gli aspetti microscopici di funzionamento e degrado che spesso sfuggono alla grande maggioranza delle tecniche di indagine.
Tradizionalmente, queste tecniche richiedono che il campione stia in condizioni di Ultra-Alto Vuoto, ma negli ultimissimi tempi si stanno sviluppando modalità e strumentazioni con cui poterle applicare anche su sistemi in condizioni ambiente, come le celle elettrochimiche, aprendo all’analisi IN-OPERANDO, ovvero in tempo reale, durante il funzionamento. Consentono di vedere cosa sta accadendo nel momento in cui sta accadendo, senza i limiti del confronto tra prima e dopo il funzionamento, dove si perde completamente il “durante”, spesso cruciale.
Si tratta di tecniche “stato dell’arte”, molto potenti, che permettono di individuare i meccanismi di reazione attraverso i suoi intermedi, quindi il percorso (o i percorsi) seguito dalla reazione nel sistema REALE. Questa conoscenza è cruciale per poter esercitare il controllo sul sistema, sia regolando le condizioni dei processi sulla base di quanto già noto, ma anche e soprattutto per essere in grado di costruire una modellazione finalmente accurata, focalizzata su ciò che effettivamente accade, che pone la basi per individuare le “manopole” rilevanti su cui agire per controllare pienamente il sistema. La stessa capacità di analisi trova applicazione anche nell’ambito diagnostico, relativamente alla determinazione della stabilità dei materiali, rendendo disponibili dati dettagliati per identificare l’origine degli eventuali problemi.
Il rovescio della medaglia è che esperimenti basati su queste tecniche sono in gran parte realizzabili solo presso laboratori di luce di sincrotrone. Il nostro gruppo ha recentemente avviato una stretta collaborazione con lo staff della beamline BACH presso il sincrotrone Elettra di Trieste, dove sono già disponibili i primi prototipi di cella per l’effettuazione di misure di assorbimento di raggi X (principalmente NEXAFS), che richiederanno tuttavia ulteriore sviluppo per migliorarli e adattarli alle specifiche esigenze sperimentali. I dispositivi sviluppati e l’esperienza acquisita potranno poi essere esportati ad altre linee di luce, dotate di altre preziosissime e complementari tecniche, come l’EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) e la fotoemissione (XPS).
Le competenze riguardo alle tecniche sopra descritte sono patrimonio essenzialmente del gruppo Sesamo, ma queste da sole spesso non bastano. Lo studio di sistemi complessi come quelli coinvolti nella filiera dell’idrogeno, soprattutto se affrontati con l’obiettivo di raggiungere risultati applicativi basati sul loro controllo a tutti i livelli, a partire da quelli microscopici, richiede il contributo di molte altre competenze, ovvero un fortissimo grado di interdisciplinarietà. Va sottolineato che tutte queste competenze sono ampiamente rappresentate nel Centro e che la loro reciproca collaborazione è ormai patrimonio consolidato, con un livello di integrazione che rappresenta un grande valore aggiunto del Centro H2-MORE a cui queste afferiscono. Tra queste “competenze” vogliamo citare quelle chimiche ed elettrochimiche (sia sintesi che analisi), oltre a quelle teorico-computazionali di struttura della materia, queste ultime in grado di modellizzare e descrivere i sistemi chimico-fisici a partire da principi primi con tecniche stato dell’arte. Queste competenze sono patrimonio di diversi gruppi che godono di ampio e consolidato riconoscimento internazionale.
Strumentazione:
Sistema in Ultra-Alto vuoto dotato di diverse tecniche spettroscopiche (XPS, UPS, HREELS), microscopiche (STM) e accessorie (LEED, sputtering, sistemi di sublimazione di materiali per deposizione di strati ultrasottili);
Sistemi di misura di perdite di idrogeno, elio e deuterio, utilizzati per la misura della permeabilità dei piatti bipolari;
Sistemi di misura di conducibilità: in-plane (a 4 punte), through-plane con sistema di elettrodi inseribili in una pressa con controllo della pressione in un ampio range;
Disponibilità di una moderna fresa a controllo numerico per un’accurata e flessibile lavorazione dei campioni.
Pubblicazioni recenti.
M.G. Betti, D. Marchiani, E. Blundo, M. De Luca, A. Polimeni, F. Trequattrini, C. Mariani, N. Cavani, A. Tonelli, R. Biagi, V. De Renzi, P. N. O. Gillespie, Miki Bonacci, E. Molinari, D. Prezzi. Deuterium Adsorption on Free-standing Graphene with large semiconducting gap. In fase di sottomissione.
F. Roncaglia, A. Mucci, M. Romagnoli, L. Spinelli, A. di Bona, R. Biagi. Graphite-epoxy composites for bipolar plates: the gas permeability issue . Sottomesso a Int. J. Hydrogen
F. Roncaglia, M. Romagnoli, S. Incudini, E. Santini, M. Imperato, L. Spinelli, A. di Bona, R. Biagi, A. Mucci. Graphite-epoxy composites for fuel-cell bipolar plates: wet vs dry mixing and role of the design of experiment in the optimization of molding parameters. Int. J. Hydrogen Energy (2021) 46, 4407-4416. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.272.
L. Spinelli, F. Roncaglia, R. Biagi, A. di Bona, M. Romagnoli, A. Mucci. Graphite/epoxy composite for building Bipolar Plates. E3S Web of Conferences 334, 04010 (2022).
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202233404010
