Las películas de platino de solo dos átomos de espesor soportadas por el grafeno podrían permitir catalizadores de celdas de combustible con actividad catalítica y longevidad sin precedentes, según un estudio publicado recientemente por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.
El platino es uno de los catalizadores más utilizados para las celdas de combustible debido a la eficacia con la que permite la reacción de reducción de la oxidación en el centro de la tecnología. Pero su alto costo ha estimulado los esfuerzos de investigación para encontrar formas de usar cantidades más pequeñas mientras se mantienela misma actividad catalítica
"Siempre habrá un costo inicial para producir una celda de combustible con catalizadores de platino, y es importante mantener ese costo lo más bajo posible", dijo Faisal Alamgir, profesor asociado en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech."Pero el costo real de un sistema de pila de combustible se calcula por cuánto tiempo dura ese sistema, y esta es una cuestión de durabilidad".
"Recientemente ha habido un impulso para usar sistemas catalíticos sin platino, pero el problema es que hasta ahora no se ha propuesto un sistema que coincida simultáneamente con la actividad catalítica y la durabilidad del platino", dijo Alamgir.
Los investigadores de Georgia Tech probaron una estrategia diferente. En el estudio, que se publicó el 18 de septiembre en la revista Materiales funcionales avanzados y con el apoyo de la National Science Foundation, describen la creación de varios sistemas que usaron películas de platino atómicamente delgadas soportadas por una capa de grafeno, maximizando efectivamente el área de superficie total del platino disponible para reacciones catalíticas y usando una cantidad mucho menordel metal precioso.
La mayoría de los sistemas catalíticos basados en platino usan nanopartículas del metal unidas químicamente a una superficie de soporte, donde los átomos superficiales de las partículas realizan la mayor parte del trabajo catalítico, y el potencial catalítico de los átomos debajo de la superficie nunca se utiliza tan completamente como elátomos de superficie, si es que lo hay
Además, los investigadores demostraron que las nuevas películas de platino que tienen al menos dos átomos de espesor superaron al platino en nanopartículas en la energía de disociación, que es una medida del costo energético de desalojar un átomo de platino superficial. Esa medición sugiere que esas películas podrían producir potencialmentesistemas catalíticos de mayor duración.
Para preparar las películas atómicamente delgadas, los investigadores utilizaron un proceso llamado deposición de capa atómica electroquímica para cultivar monocapas de platino en una capa de grafeno, creando muestras que tenían una, dos o tres capas atómicas de átomos. Luego, los investigadores analizaron las muestraspara la energía de disociación y comparó los resultados con la energía de un solo átomo de platino en el grafeno, así como la energía de una configuración común de nanopartículas de platino utilizadas en catalizadores.
"La pregunta fundamental en el corazón de este trabajo fue si era posible que una combinación de enlaces metálicos y covalentes pudiera hacer que los átomos de platino en una combinación de platino-grafeno fueran más estables que sus contrapartes en el platino a granel utilizado comúnmente en catalizadores que sonapoyado por enlaces metálicos ", dijo Seung Soon Jang, profesor asociado en la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Los investigadores encontraron que el enlace entre los átomos de platino vecinos en la película esencialmente combina fuerzas con el enlace entre la película y la capa de grafeno para proporcionar refuerzo a través del sistema. Eso fue especialmente cierto en la película de platino que tenía dos átomos de espesor.
"Por lo general, las películas metálicas por debajo de cierto espesor no son estables porque los enlaces entre ellas no son direccionales y tienden a enrollarse entre sí y a conglomerarse para formar una partícula", dijo Alamgir. "Pero eso no es cierto con el grafeno, quees estable en una forma bidimensional, incluso de un átomo de grosor, porque tiene enlaces direccionales covalentes muy fuertes entre sus átomos vecinos, por lo que este nuevo sistema catalítico podría aprovechar el enlace direccional del grafeno para soportar una película de platino atómicamente delgada."
La investigación futura implicará pruebas adicionales de cómo se comportan las películas en un entorno catalítico. Los investigadores encontraron en investigaciones anteriores sobre películas de grafeno-platino que el material se comporta de manera similar en reacciones catalíticas, independientemente de qué lado - grafeno o platino - sea elsuperficie activa expuesta
"En esta configuración, el grafeno no está actuando como una entidad separada del platino", dijo Alamgir. "Están trabajando juntos como uno. Así que creemos que si estás exponiendo el lado del grafeno, obtienes lo mismoactividad catalítica y podría proteger aún más el platino, potencialmente mejorando aún más la durabilidad ".
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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