-Las celdas de combustible son una tecnología prometedora para la generación de energía eléctrica limpia y eficiente, pero su costo, actividad y durabilidad son desafíos clave para la comercialización. Las celdas de combustible de hoy usan nanopartículas costosas basadas en platino Pt como catalizadores para acelerar las reacciones involucradasAl convertir la energía química de los combustibles renovables, como el hidrógeno, el metanol y el etanol, en energía eléctrica, los catalizadores que incorporan metales menos costosos dentro de las nanopartículas pueden ayudar a reducir los costos y mejorar la actividad y la durabilidad, pero hay más mejoras en estos catalizadores.requerido antes de que estas celdas de combustible se puedan usar en vehículos, generadores y otras aplicaciones.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad Estatal de California-Northridge, la Universidad Soochow, la Universidad de Pekín y el Instituto de Física Aplicada de Shanghái han desarrollado catalizadores que pueden experimentar 50,000 ciclos de voltaje con una disminución insignificante ensu actividad catalítica y ningún cambio aparente en su estructura o composición elemental. Como se describe en un artículo publicado en línea en la edición del 16 de diciembre de ciencia , los catalizadores son "nanoplacas" que contienen un núcleo atómico de Pt y plomo Pb rodeado por una gruesa capa uniforme de cuatro capas de Pt.
Hasta la fecha, los catalizadores más exitosos para aumentar la actividad de la reacción de reducción de oxígeno ORR, una reacción muy lenta que limita significativamente la eficiencia de la pila de combustible, han sido de la estructura de núcleo-cubierta basada en Pt. Sin embargo, estosLos catalizadores suelen tener una cubierta delgada e incompleta debido a su difícil síntesis, que con el tiempo permite que el ácido del ambiente de la pila de combustible se filtre en el núcleo y reaccione con los otros metales en el interior, lo que resulta en una estabilidad a largo plazo pobre y un cortovida útil del catalizador
"El objetivo es hacer que el ORR sea lo más rápido posible con catalizadores que tengan la menor cantidad de platino y la operación más estable a lo largo del tiempo", dijo el autor correspondiente Dong Su, científico del Centro de Nanomateriales Funcionales CFN del Laboratorio Brookhaven, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, que dirigió el trabajo de microscopía electrónica para caracterizar las nanoplacas. "Nuestros catalizadores PtPb / Pt muestran una alta actividad y estabilidad ORR, dos parámetros que son clave para permitir una economía de hidrógeno, situándolos entre loscatalizadores bimetálicos más eficientes y estables informados para ORR ".
cepa de celosía para un mejor rendimiento catalítico
En estudios previos, los científicos han demostrado que la actividad de ORR se puede mejorar de manera óptima en los catalizadores de núcleo y cubierta al comprimir los átomos de Pt en un plano de superficie reticular específico llamado Pt 111. Esta tensión de compresión se induce al agregar metales de tamaño más pequeño quePt, como el níquel, al núcleo de la cubierta, y tiene el efecto de debilitar la unión del oxígeno a la superficie de Pt, donde tiene lugar la reacción catalítica.
"El catalizador ORR ideal debe ayudar a romper los enlaces entre las moléculas de oxígeno y formar enlaces entre el oxígeno y el hidrógeno, por lo que el oxígeno no puede estar demasiado fuerte o demasiado débilmente unido a la superficie del platino", explicó Su.han centrado su investigación en las superficies de Pt 111 tensas por compresión, en las que los átomos de Pt se exprimen a través de la superficie, porque la energía de unión al oxígeno está optimizada. En general, los científicos pensaron que la tensión de tensión en el mismo plano de superficie resultaría en demasiado fuerteunión de oxígeno y, por lo tanto, obstaculizar la reacción de ORR ".
Pero Su y sus colaboradores mostraron que la introducción de una gran tensión de tracción a lo largo de una dirección de un plano de superficie diferente, Pt 110, también podría mejorar la actividad catalítica de ORR. Agregaron Pb que es más grande que Pt al núcleo delCaparazón de Pt, lo que hace que los átomos de Pt se extiendan por la superficie.
caracterización de nanoplacas y pruebas de durabilidad
Después de que el grupo de investigación dirigido por Xiaoqing Huang, autor correspondiente de la Universidad de Soochow, sintetizara las nanoplacas, Su caracterizó su estructura y composición elemental en el CFN. Usando patrones de difracción de electrones e imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución STEM,ambos revelaron las posiciones relativas de los átomos, confirmó la estructura núcleo-cubierta y la composición y secuencia de los átomos. Para verificar que el núcleo contenía Pt y Pb y que la cubierta contenía Pt, midió el cambio en la energía deelectrones después de que interactuaron con las nanoplacas, una técnica llamada espectroscopía de pérdida de energía de electrones.
Con esta información, el equipo distinguió cómo se formaron las nanoplacas con los átomos individuales de Pt y Pb. Para su sorpresa, los planos de superficie no eran Pt 111 sino Pt 110, y estos planos Pt 110 estaban bajo biaxialdeformación: deformación por compresión en una dirección y deformación por tracción en la otra, originada en el núcleo de PtPb.
En las pruebas de durabilidad que simulan el ciclo de voltaje de la celda de combustible, los colaboradores de Su descubrieron que después de 50,000 ciclos casi no hubo cambios en la cantidad de corriente eléctrica generada. En otras palabras, las nanoplacas tuvieron una disminución mínima en la actividad catalítica. Después de estos muchos ciclos, la mayoríalos catalizadores exhiben cierta pérdida de actividad, y algunos pierden más de la mitad de su actividad original.
Las técnicas de caracterización de microscopía y sincrotrón revelaron que la estructura y la composición elemental de las nanoplacas no cambiaron después de las pruebas de durabilidad. "El trabajo de microscopía electrónica en CFN fue fundamental para explicar por qué nuestras nanoplacas mostraron una actividad catalítica y estabilidad tan altas", dijo Huang.
En comparación con los catalizadores comerciales Pt-on-carbon Pt / C, las nanoplacas PtPb / Pt del equipo tienen una de las actividades ORR más altas hasta la fecha, teniendo en cuenta la cantidad de Pt utilizada y una excelente durabilidad. Las nanoplacas del equipo tambiénmostró alta actividad electrocatalítica y estabilidad en las reacciones de oxidación de metanol y etanol.
"Creemos que las capas de Pt relativamente gruesas y completas juegan un papel importante en la protección del núcleo", dijo Su.
Para comprender cómo se origina la alta actividad de ORR en las nanoplacas, los científicos calcularon la energía de unión entre los átomos de oxígeno y los átomos de Pt en la superficie. Sus cálculos confirmaron que la tensión de tensión en la superficie de Pt 110 fue responsable de la actividad de ORR mejorada.
"Este trabajo abre una nueva forma de introducir una gran tensión de tracción en el plano Pt 110 estable para lograr una actividad muy alta para la catálisis de reducción de oxígeno. Creemos que nuestro enfoque inspirará esfuerzos para diseñar nuevos catalizadores nanoestructurados con gran tensión de tensiónpara una catálisis más eficiente ", dijo el autor correspondiente Shaojun Guo de la Universidad de Pekín.
Eventualmente, los electrocatalizadores a nivel de laboratorio deberán probarse en un sistema de celdas de combustible más grande, donde se puedan introducir variables del mundo real, como contaminantes que podrían afectar la reactividad de la superficie.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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