Un factor que frena el uso generalizado de celdas de combustible de hidrógeno ecológicas en automóviles, camiones y otros vehículos es el costo de los catalizadores de platino que hacen que las celdas funcionen. Un enfoque para usar platino menos precioso es combinarlo con otros más baratosmetales, pero esos catalizadores de aleación tienden a degradarse rápidamente en condiciones de celdas de combustible.
Ahora, investigadores de la Universidad de Brown han desarrollado un nuevo catalizador de aleación que reduce el uso de platino y se mantiene bien en las pruebas de celdas de combustible. Se demostró que el catalizador, hecho de aleación de platino con cobalto en nanopartículas, venció al Departamento de Energía de EE. UU. DOE objetivos para el año 2020 tanto en reactividad como en durabilidad, según las pruebas descritas en la revista julio .
"La durabilidad de los catalizadores de aleación es un gran problema en el campo", dijo Junrui Li, un estudiante graduado de química en Brown y autor principal del estudio. "Se ha demostrado que las aleaciones funcionan mejor que el platino puro inicialmente, pero en elcondiciones, dentro de una celda de combustible, la parte de metal no precioso del catalizador se oxida y se lixivia muy rápidamente ".
Para abordar este problema de lixiviación, Li y sus colegas desarrollaron nanopartículas de aleación con una estructura especializada. Las partículas tienen una cubierta externa de platino puro que rodea un núcleo hecho de capas alternas de átomos de platino y cobalto. Esa estructura de núcleo en capas es clave para el catalizadorreactividad y durabilidad, dice Shouheng Sun, profesor de química en Brown y autor principal de la investigación.
"La disposición en capas de los átomos en el núcleo ayuda a suavizar y tensar la red de platino en la cubierta exterior", dijo Sun. "Eso aumenta la reactividad del platino y al mismo tiempo protege a los átomos de cobalto para que no se coman durante unreacción. Es por eso que estas partículas funcionan mucho mejor que las partículas de aleación con disposiciones aleatorias de átomos de metal ".
Los detalles de cómo la estructura ordenada mejora la actividad del catalizador se describen brevemente en el julio documento, pero más específicamente en un documento de modelado por computadora separado publicado en el Journal of Chemical Physics. El trabajo de modelado fue dirigido por Andrew Peterson, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería de Brown, quien también fue coautor del julio papel
Para el trabajo experimental, los investigadores probaron la capacidad del catalizador para realizar la reacción de reducción de oxígeno, que es fundamental para el rendimiento y la durabilidad de la celda de combustible. En un lado de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones PEM, los electrones se eliminarondel combustible de hidrógeno crea una corriente que impulsa un motor eléctrico. En el otro lado de la celda, los átomos de oxígeno toman esos electrones para completar el circuito. Eso se hace a través de la reacción de reducción de oxígeno.
Las pruebas iniciales mostraron que el catalizador funcionó bien en el laboratorio, superando a un catalizador de aleación de platino más tradicional. El nuevo catalizador mantuvo su actividad después de 30,000 ciclos de voltaje, mientras que el rendimiento del catalizador tradicional se redujo significativamente.
Pero aunque las pruebas de laboratorio son importantes para evaluar las propiedades de un catalizador, los investigadores dicen que no necesariamente muestran qué tan bien funcionará el catalizador en una celda de combustible real. El ambiente de la celda de combustible es mucho más caliente y difiere en acidez en comparacióna los entornos de pruebas de laboratorio, que pueden acelerar la degradación del catalizador. Para averiguar qué tan bien se mantendría el catalizador en ese entorno, los investigadores enviaron el catalizador al Laboratorio Nacional de Los Alamos para realizar pruebas en una celda de combustible real.
Las pruebas mostraron que el catalizador supera los objetivos establecidos por el Departamento de Energía DOE para la actividad inicial y la durabilidad a largo plazo. El DOE ha desafiado a los investigadores a desarrollar catalizador con una actividad inicial de 0,44 amperios por miligramo de platino para 2020,y una actividad de al menos 0.26 amperios por miligramo después de 30,000 ciclos de voltaje aproximadamente equivalente a cinco años de uso en un vehículo de pila de combustible. Las pruebas del nuevo catalizador mostraron que tenía una actividad inicial de 0.56 amperios por miligramo y una actividad después30,000 ciclos de 0.45 amperios.
"Incluso después de 30,000 ciclos, nuestro catalizador aún excedió el objetivo del DOE para la actividad inicial", dijo Sun. "Ese tipo de rendimiento en un entorno de celda de combustible del mundo real es realmente prometedor".
Los investigadores han solicitado una patente provisional sobre el catalizador y esperan continuar desarrollándola y refinándola.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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