Las películas de platino de solo dos átomos de espesor soportadas por grafeno podrían permitir catalizadores de pilas de combustible con una actividad catalítica y una 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 pilas de combustible debido a la eficacia con la que permite la reacción de reducción de 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 mantiene la 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 celda de combustible se calcula por cuánto tiempo dura ese sistema, y esta es una cuestión de durabilidad.

"Recientemente se ha impulsado el uso de 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 fue publicado 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 usaban 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 menor del metal precioso.

La mayoría de los sistemas catalíticos basados ​​en platino utilizan nanopartículas del metal unidas químicamente a una superficie de soporte, donde los átomos de la superficie de las partículas hacen la mayor parte del trabajo catalítico, y el potencial catalítico de los átomos debajo de la superficie nunca se utiliza tan completamente como los átomos de la superficie, como mucho.

Adicionalmente, Los investigadores demostraron que las nuevas películas de platino que tienen al menos dos átomos de espesor superaron al platino de nanopartículas en la energía de disociación. que es una medida del costo energético de desalojar un átomo de platino en la superficie. Esa medición sugiere que esas películas podrían producir sistemas catalíticos potencialmente más duraderos.

Para preparar las películas atómicamente delgadas, Los investigadores utilizaron un proceso llamado deposición electroquímica de la capa atómica para hacer crecer monocapas de platino en una capa de grafeno. creando muestras que tenían uno, dos o tres capas atómicas de átomos. Luego, los investigadores probaron las muestras en busca de energía de disociación y compararon los resultados con la energía de un solo átomo de platino en el grafeno, así como con la energía de configuraciones comunes 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 pueda hacer que los átomos de platino en una combinación de platino-grafeno sean más estables que sus contrapartes en el platino a granel que se usa comúnmente en catalizadores que son soportados por Unión metálica, "dijo Seung Soon Jang, profesor asociado en la Escuela 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 en todo el sistema. Eso fue especialmente cierto en la película de platino que tenía dos átomos de espesor.

"Normalmente, las películas metálicas por debajo de cierto grosor no son estables porque los enlaces entre ellas no son direccionales, y tienden a rodar unos sobre otros y a conglomerarse para formar una partícula, "Dijo Alamgir." Pero eso no es cierto con el grafeno, que es estable en una forma bidimensional, incluso un átomo de espesor, porque tiene enlaces direccionales covalentes muy fuertes entre sus átomos vecinos. Así que este nuevo sistema catalítico podría aprovechar la unión direccional del grafeno para soportar una película de platino atómicamente delgada ".

Future research will involve further testing of how the films behave in a catalytic environment. The researchers found in earlier research on graphene-platinum films that the material behaves similarly in catalytic reactions regardless of which side—graphene or platinum—is the exposed active surface.

"In this configuration, the graphene is not acting as a separate entity from the platinum, " Alamgir said. "They're working together as one. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."