Proprietà innovative di nanostrutture CeO2 - ZrO2 in processi di produzione di energia.
In anni recenti, è stato dedicato un interesse crescente allo sviluppo di materiali per la produzione di energia (celle a combustibile) e la conversione dei gas di scarico di autoveicoli in prodotti non tossici. In questo contesto, materiali a base di CeO2 sono interessanti candidati per la loro Oxygen Storage Capacity (OSC), riconducibile alla interconversione Ce(III) « Ce(IV), ed alla capacità della struttura fluoritica di ospitare vacanze di ossigeno. La principale limitazione di tali sistemi è rappresentata dalla sinterizzazione e disattivazione indotte dall'uso prolungato ad alte temperature. Conseguentemente, la ceria è stata sostituita da sistemi misti CeO2-ZrO2, contraddistinti da migliorata stabilità termica e proprietà redox. Attualmente, le prestazioni catalitiche sono legate alla presenza di particelle di metalli nobili (Pt, Rh e Pd) che subiscono tuttavia sinterizzazione e vengono rilasciati nelle emissioni degli autoveicoli. Tali svantaggi possono essere superati modulando la dispersione di particelle di CeO2 difettive su e/o in una matrice di ZrO2, permettendo di sfruttare la sinergia tra il contenuto di difetti e la nanostrutturazione. In questo contesto, una peculiarità dell'ISTM-CNR consiste nell'uso combinato delle metodologie Sol-Gel e Chemical Vapor Deposition (CVD) (SG-CVD) nella progettazione e sintesi di nanosistemi funzionali a base di ossidi (film sottili, cluster, compositi, superfici funzionalizzate) e, nella fattispecie, di film nanostrutturati a base di CeO2-ZrO2 con proprietà innovative. Tale approccio bottom-up è un potente mezzo per la risoluzione di problemi nel settore delle nanotecnologie, poichè la sua versatilità consente di variare parametri chimici e condizioni di processo per modulare le proprietà dei materiali.
L'approccio seguito è basato sulla sintesi via Plasma-Assisted CVD (PA-CVD) di nanocluster di ceria (Fig. 1) su xerogel di zirconia, e sulla modifica finale tramite trattamenti termici in aria ex-situ. In tal modo si ottengono nanomateriali che spaziano da compositi, dove le nanoparticelle di ceria sono disperse su/in matrici di zirconia, a soluzioni solide, in cui si ottiene una singola fase Ce-O-Zr. Un'adeguata scelta dei parametri di processo, unitamente alla peculiare struttura microporosa della matrice di zirconia e alla crescita del film plasma-assistita, aumenta la dispersione delle particelle di ceria ed è responsabile delle particolari proprietà di tali materiali. Inoltre la distribuzione della ceria nella matrice ospitante può essere modulata in funzione della temperatura di trattamento permettendo il passaggio da sistemi outside-cluster ad inside-cluster (Fig. 2). Le proprietà funzionali dei sistemi preparati risultano direttamente correlate al rapporto Ce(III)/Ce(IV), che dipende dalle condizioni di sintesi. Ciò consente di eliminare i metalli nobili dalla formulazione di tali materiali.
Immagini:
