Una nueva técnica de fabricación que produce nano jaulas huecas de platino con paredes ultrafinas podría reducir drásticamente la cantidad de metal costoso necesario para proporcionar actividad catalítica en aplicaciones tales como las celdas de combustible.
La técnica utiliza un método basado en solución para producir capas de platino a escala atómica para crear estructuras huecas y porosas que pueden generar actividad catalítica tanto dentro como fuera de las nano jaulas. Las capas se cultivan en plantillas de nanocristales de paladio, y luego el paladio esgrabado para dejar atrás las nano jaulas de aproximadamente 20 nanómetros de diámetro, con entre tres y seis capas de platino delgadas para átomos.
El uso de estas estructuras de nanojaula en electrodos de celdas de combustible podría aumentar la eficiencia de utilización del platino en un factor de hasta siete, lo que podría cambiar la viabilidad económica de las celdas de combustible.
"Podemos obtener la actividad catalítica que necesitamos usando solo una pequeña fracción del platino que se había requerido antes", dijo Younan Xia, profesor del Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter de Georgia Tech y Emory University.Xia también tiene citas conjuntas de facultad en la Facultad de Química y Bioquímica y en la Facultad de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Hemos fabricado nanocajas huecas de platino con paredes tan delgadas como unas pocas capas atómicas porque no queremos desperdiciarcualquier material a granel que no contribuya a la actividad catalítica "
La investigación, que también involucró a investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad de Xiamen en China, se informó en la edición del 24 de julio de la revista ciencia .
El platino tiene una gran demanda como catalizador para una amplia gama de aplicaciones industriales y de consumo. El alto costo del platino necesario para los catalizadores depositados en los electrodos ha limitado la capacidad de usar celdas de combustible de baja temperatura en automóviles y aplicaciones domésticas.
En aplicaciones catalíticas, solo las capas superficiales de platino contribuyen a la reacción química, lo que lleva a los investigadores a desarrollar nuevas estructuras diseñadas para maximizar la cantidad de platino expuesto a los reactivos. El proceso de vaciado reduce la cantidad de metales preciosos que no contribuyen alreacción, y permite el uso de nanocristales más grandes que son menos susceptibles a la sinterización, un fenómeno de agregación que reduce el área de superficie del catalizador.
"Podemos controlar el proceso tan bien que tenemos una deposición capa por capa, creando una capa, dos capas o tres capas de platino", dijo Xia, quien también es un eminente erudito de Georgia Research Alliance. "También podemoscontrolar la disposición de los átomos en la superficie para que su actividad catalítica pueda ser diseñada para adaptarse a diferentes tipos de reacciones ".
Se han hecho estructuras de platino huecas antes, pero no con paredes tan delgadas, agregó. El trabajo anterior produjo conchas con espesores de pared de aproximadamente cinco nanómetros. El nuevo proceso puede producir paredes de concha de menos de un nanómetro de espesor. Con ambas capas internasy la capa externa de las nano jaulas porosas que contribuyen a la actividad catalítica, las nuevas estructuras pueden usar hasta dos tercios de los átomos de platino en una cubierta ultradelgada de tres capas. Parte del paladio permanece mezclado con el platino en las estructuras.
"Este enfoque crea el área de superficie más alta posible a partir de una cantidad dada de platino", dijo Xia.
Las nanojaulas se pueden hacer en formas cúbicas u octaédricas, dependiendo de los nanocristales de paladio utilizados como plantillas. La forma controla la estructura de la superficie, por lo tanto, la ingeniería de la actividad catalítica.
El objetivo de esta investigación fue reducir el costo de los cátodos en las celdas de combustible diseñadas para alimentar automóviles y hogares. La reacción de reducción de oxígeno de la celda de combustible tiene lugar en el cátodo, y eso requiere una cantidad sustancial de platino. Al reducir elcantidad de platino por hasta un factor de siete, los cascos huecos podrían hacer que las celdas de combustible automotrices y domésticas sean más viables económicamente.
Los investigadores midieron la durabilidad de las nano jaulas de platino para la reacción de reducción de oxígeno, y encontraron que la actividad catalítica se redujo en un poco más de un tercio después de 10,000 ciclos de operación. Los esfuerzos anteriores para maximizar el área de superficie dependían de hacer nanopartículas de platino muy pequeñasdos o tres nanómetros de diámetro. Las partículas de ese tamaño tienden a agruparse en un proceso conocido como sinterización, lo que reduce el área de superficie.
"Mediante el uso de estructuras huecas, podemos usar tamaños de partículas mucho más grandes, alrededor de 20 nanómetros, y realmente no perdemos ningún área de superficie porque podemos usar tanto el interior como el exterior de la estructura, y las capas son soloalgunas capas atómicas de espesor ", agregó Xia." Esperamos que la durabilidad de estas partículas más grandes sea mucho mejor "
Otras aplicaciones, como los convertidores catalíticos en automóviles, también usan cantidades sustanciales de platino. Es poco probable que las nuevas carcasas huecas se utilicen en convertidores catalíticos de automóviles porque funcionan a una temperatura más allá de lo que las estructuras pueden tolerar. Sin embargo, las nanocajas de platinopodría encontrar uso en otros procesos industriales como la hidrogenación.
Contribuyendo al trabajo experimental realizado en Georgia Tech, los investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizaron sus instalaciones de microscopía especializadas para mapear las estructuras de las nanocajas. Los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison modelaron el sistema para ayudar a comprender el grabado del paladiodesde el núcleo mientras se preserva la carcasa de platino.
Los investigadores han explorado alternativas al platino, pero ninguna de las alternativas hasta ahora ha proporcionado la cantidad equivalente de actividad catalítica en una masa tan pequeña, señaló Xia.
"Si tomaste todo el platino que tenemos disponible hoy e hiciste un cubo, solo serían siete metros en cada lado", agregó. "Eso es todo el platino que tenemos ahora, por lo que necesitamos encontrar el máximoforma eficiente de usarlo "
Otros autores en el artículo incluyen al Profesor Manos Mavrikakis y los investigadores Luke Roling y Jeffrey Herron de la Universidad de Wisconsin-Madison, Miaofang Chi del Laboratorio Nacional Oak Ridge, el Profesor Jingyue Liu de la Universidad Estatal de Arizona, el Profesor Zhaoxiong Xie de la Universidad de Xiamen yLei Zhang, Xue Wang, Sang-Il Choi, Madeleine Vara y Jinho Park, de Georgia Tech.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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