NUME Project

project coordinator B. Scrosati

"DEVELOPEMENT OF COMPOSITE PROTONIC MEMBRANES AND OF INNOVATIVE ELECTRODE CONFIGURATIONS FOR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELLS"

Progetto relativo all'unita' di ricerca di Camerino

Caratterizzazione elettrochimica e strutturale di materiali per celle a combustibile

Lo studio della microstruttura degli elettrodi e dei componenti (membrane polimeriche) che operano nelle celle a combustibile e' di particolare importanza sia per caratterizzare i nuovi materiali sviluppati nell'ambito del progetto sia per sviluppare gli stessi al fine di migliorare le caratteristiche di efficienza e di invecchiamento. Oltre alle nomali tecniche di caratterizzazione elettrochimica riveste particolare importanza lo sviluppo di tecniche strutturali, sia di volume (diffrazione di raggi-X) che ``site-sensitive'' come la spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) (A. Filipponi, A. Di Cicco, and C. R. Natoli, ``X-ray absorption spectroscopy and n-body distribution functions in condensed matter (I): theory of the GNXAS data-analysis method.'', Phys. Rev. B 52, 15122 (1995); A. Di Cicco, Multiple-edge EXAFS refinement: short-range structure in liquid and crystalline Sn'', Phys. Rev. B 53, 6174 (1996)). Quest'ultima tecnica consiste nell'analisi della struttura fine in prossimita' di una soglia di assorbimento atomica ed e' in grado di fornire informazioni sulla struttura a corto raggio intorno ad atomi selezionati. Inoltre, e' attualmente possibile ottenere spettri XAS di alta qualita' nelle piu' varie condizioni termodinamiche e con campioni estremamente diluiti. La tecnica risulta particolarmente efficace nel caratterizzare la struttura locale intorno a metalli sia disordinati che ordinati. Recentemente sono inoltre stati sviluppati metodi avanzati che, utilizzando sorgenti di radiazione di sincrotrone di terza generazione sono in grado di caratterizzare la struttura cristallina e a corto raggio di campioni in varie condizioni termodinamiche tramite l'uso combinato di spettroscopia XAS (X-ray Absorption Spectroscopy) e XRD (X-ray Diffraction) tramite una tecnica a scansione di energia (A. Filipponi, M. Borowski, D. T. Bowron, S. Ansell, S. De Panfilis, A. Di Cicco, and J. P. Itie' ``An experimental station for advanced research on condensed matter under extreme conditions at the European Synchrotron Radiation Facility - BM29 beamline'', Rev. Sci. Instr. 71 , 2422 (2000); A. Filipponi, A. Di Cicco, and S. De Panfilis, ``Structure of Undercooled Liquid Pd Probed by X-ray Absorption Spectroscopy'', Phys. Rev. Lett. 83, 560 (1999); A. Filipponi, S. De Panfilis, and A. Di Cicco ``High-temperature X-ray absorption and diffraction investigations of Pd and Pd-C saturated solid solutions, Phys. Stat. Sol. (b) 219, 267 (2000)''. L'utilizzo di tali tecniche, combinato con le usuali metodiche di laboratorio a nostra disposizione, che includono la diffrazione di raggi X da anodo rotante, le tecniche di microscopia TEM e SEM, le tecniche di caratterizzazione di superficie Auger, EELS, LEED, MEED e l'XPS, pone sotto il nostro controllo parametri essenziali come la struttura e la morfologia dei materiali degli elettrodi il loro stato di ossidazione in funzione delle condizioni e dei tempi di lavoro. In particolare, la possibilita' di realizzare celle di basso assorbimento per misure in-situ e l'esperienza maturata dai proponenti in questo campo (Herrero A, Zamponi S, Marassi R, et al. ``Determination of the capability of detection of a hyphenated method: application to spectroelectrochemistry'' Chemometric. Intel. Lab 61 (1-2): 63-74 ( 2002 ); Cognigni A, Ascone I, Zamponi S, R. Marassi `A quasi solid state electrochemical cell for in situ-EXAFS mesurements on biological samples'' Synchr. Rad. 8, 987-989 ( 2001); Giorgetti M, Berrettoni M, Ascone I, R.. Marassi ``X-ray absorption spectroscopic study on Co((DO)(DOH)(pn)Br2'', Electrochim. Acta 45, 4475 (2000); Passerini S, Le DB, Smyrl WH, R. Marassi et al. ,``XAS and electrochemical characterization of lithiated high surface area V2O5 aerogels'' SOLID STATE IONICS 104 (3-4): 195-204 ( 1997); Giorgetti M, Berrettoni M, Filipponi A, R. Marassi ``Evidence of four body contributions in the EXAFS specrtrum of Na2Co[Fe(Cn)6]'' CHEM PHYS LETT 275 (1-2): 108-112 ( 1997 ) Grden M, Czerwinski A, Golimowski J, R. Marassi et al. ``Hydrogen electrosorption in Ni-Pd alloys'' J ELECTROANAL CHEM 460 (1-2): 30-37 (1999)) rende praticabile la misura in-situ della struttura microscopica di elettrodi nelle condizioni tipiche di funzionamento. Misure di diffrazione e di assorbimento di raggi X sono possibili sia presso la European Synchrotron Radiation Facility che presso il centro grandi apparecchiature UniCam sviluppando adeguatamentela strumentazione esistente.

Obiettivi:
a) Realizzazione di celle sperimentali per test elettrochimici su celle a combustibile H2/O2 e metanolo diretto e di celle per misure in-situ.
b) La determinazione in funzione della temperatura, della pressione e del potenziale applicato della struttura a medio e corto raggio tramite la tecnica di "energy-scanning" x-ray diffraction combinata con XAS.
c) Caratterizzazione delle cinetiche elettrodiche tramite impedenza elettrochimica.

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