nano

Feb 01, 2024

15 de diciembre de 2022

por Particuología

El metal precioso platino es un catalizador clave para las reacciones químicas en el corazón de la próxima generación de pilas de combustible de hidrógeno más compactas y de alto rendimiento. Pero el alto costo del platino está impidiendo la adopción generalizada de esta tecnología.

Sin embargo, los investigadores han ideado una aleación de platino y cobalto a escala nanométrica para utilizarla como catalizador, reduciendo drásticamente la cantidad de platino necesaria para lograr el mismo (o incluso mejor) rendimiento.

El 15 de diciembre se publicó en la revista Particuology una descripción de este novedoso electrocatalizador de platino-cobalto y la técnica utilizada para producirlo.

Las pilas de combustible de hidrógeno serán necesarias en la transición limpia para aquellas partes de la economía, en particular el transporte pesado, que son difíciles de electrificar utilizando tecnología de baterías. Desafortunadamente, la pila de combustible más comúnmente utilizada, la pila de combustible alcalina, sigue siendo bastante voluminosa, lo que limita su aplicación en sectores como el transporte marítimo y la aviación, donde el espacio es escaso.

La próxima generación de pilas de combustible, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC, a veces denominadas pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico), son mucho más compactas.

Lamentablemente, el principal catalizador (sustancias que ayudan a acelerar las reacciones químicas) utilizado en una reacción clave involucrada en PEMFCS (la reacción de reducción de oxígeno u ORR) es el raro y, por lo tanto, costoso metal platino. El alto costo del platino ya es una de las mayores barreras para una adopción más amplia de PEMFC. Según datos del Departamento de Energía de EE.UU., los catalizadores de metales del grupo del platino en las pilas de combustible representan actualmente más del 40% de su coste. De hecho, la mitad de toda la producción mundial de platino se utiliza en la industria del automóvil.

"Esto significa que, aunque el alto costo del platino está limitando la adopción de celdas de combustible en los vehículos, si se produjera una adopción más amplia, esto sólo exacerbaría el problema, ya que habría una demanda aún mayor y, por lo tanto, precios más altos, para este metal raro. " dijo Zhonghua Xiang, autor del artículo y electroquímico de la Universidad de Tecnología Química de Beijing.

Por lo tanto, cualquier camino hacia una adopción más amplia de la tecnología de pilas de combustible implica necesariamente alguna reducción de la cantidad de platino necesaria, ya sea cambiándolo por algún otro material catalizador o reduciendo la cantidad de platino necesaria sin comprometer el rendimiento.

Gran parte de la investigación se ha centrado en este último enfoque. Los investigadores se han centrado especialmente en alear platino con cobalto, diluyendo de hecho la cantidad de platino necesaria para lograr el mismo resultado. La razón de esto es que varias aleaciones de platino y cobalto tienen una mayor "superficie activa": los espacios en las moléculas del catalizador donde pueden tener lugar las reacciones químicas relevantes.

Sin embargo, ajustar el grado de aleación para lograr un rendimiento óptimo de ORR sigue siendo un gran desafío.

Entonces, el profesor Xiang sintetizó un precursor de platino-cobalto-carbono (el compuesto que funciona para producir un segundo compuesto, en este caso la aleación de platino-cobalto) usando dimetilamina borano (DMAB) como agente reductor (una sustancia que dona electrones a otra uno en una reacción química). Este precursor se calentó a alta temperatura en un ambiente de hidrógeno y gas argón para producir una aleación de platino-cobalto que involucra tres átomos de platino por cada uno de cobalto en forma de partículas a nanoescala.

La estructura de los electrones en esta aleación particular de platino y cobalto permite una gran cantidad de actividad en la superficie de la membrana de los electrodos de la pila de combustible. Como resultado, se mejora el rendimiento de la pila de combustible y se consigue una gran estabilidad para la pila de combustible. Este último beneficio quedó demostrado por sólo un leve deterioro del rendimiento después de 10.000 ciclos de la pila de combustible. Pruebas adicionales con pilas de combustible individuales mostraron que su enfoque excedía considerablemente los requisitos de las normas del Departamento de Energía de EE. UU.

Habiendo demostrado una reducción de la cantidad de platino necesaria para lograr un rendimiento PEMFC superior, el profesor Xiang ahora quiere ver si puede reemplazar el catalizador a base de platino por completo, utilizando metales no preciosos como catalizador, manteniendo o mejorando el rendimiento y estabilidad a largo plazo.

Más información: Síntesis de una estrategia de reducción secundaria de catalizadores de nanopartículas de Pt-Co para mejorar la actividad de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, Particuology (2022). DOI: 10.1016/j.particular.2022.11.010