Las pilas de combustible y los electrolizadores de agua que son baratos y eficientes formarán la piedra angular de una economía basada en el combustible de hidrógeno. que es una de las alternativas limpias y sostenibles más prometedoras a los combustibles fósiles. Estos dispositivos dependen de materiales llamados electrocatalizadores para funcionar, por lo que el desarrollo de catalizadores eficientes y de bajo costo es esencial para hacer del combustible de hidrógeno una alternativa viable. Investigadores de la Universidad de Aalto han desarrollado un nuevo material catalizador para mejorar estas tecnologías.

La reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de evolución de oxígeno (OER) son las reacciones electroquímicas más importantes que limitan la eficiencia de las celdas de combustible de hidrógeno (para propulsar vehículos y generación de energía). electrolizadores de agua (para la producción de hidrógeno limpio), y baterías de metal-aire de alta capacidad. Físicos y químicos de Aalto colaborando con investigadores del CNRS Francia, y Viena en Austria han desarrollado un nuevo catalizador que impulsa estas reacciones de manera más eficiente que otros catalizadores bifuncionales actualmente disponibles. Los investigadores también encontraron que la actividad electrocatalítica de su nuevo catalizador puede alterarse significativamente dependiendo de la elección del material sobre el que se depositó el catalizador.

"Queremos reemplazar los catalizadores tradicionales, costosos y escasos, basados ​​en metales preciosos como el platino y el iridio, con alternativas altamente activas y estables compuestas de elementos baratos y abundantes en la tierra, como los metales de transición". carbono y nitrógeno ", dice el Dr. Mohammad Tavakkoli, el investigador de Aalto que dirigió el trabajo y escribió el artículo.

En colaboración con el CNRS, el equipo produjo un híbrido de grafeno-nanotubo de carbono altamente poroso y lo dopó con átomos individuales de otros elementos conocidos por hacer buenos catalizadores. El grafeno y el nanotubo de carbono (CNT) son los alótropos de carbono bidimensionales y unidimensionales de un átomo de espesor, respectivamente, que han atraído un gran interés tanto en la academia como en la industria debido a sus propiedades sobresalientes en comparación con los materiales más tradicionales. Desarrollaron un método fácil y escalable para hacer crecer estos nanomateriales al mismo tiempo, combinando sus propiedades en un solo producto. "Somos uno de los equipos líderes en el mundo para la síntesis escalable de nanotubos de carbono de doble pared. La innovación aquí fue modificar nuestro proceso de fabricación para preparar estas muestras únicas, "dijo el Dr. Emmanuel Flahut, director de investigación del CNRS.

En este proceso de un solo paso, también podrían dopar el grafeno con nitrógeno y / o átomos individuales metálicos (cobalto y molibdeno) como una estrategia prometedora para producir catalizadores de un solo átomo (SAC). En la ciencia de la catálisis, El nuevo campo de los SAC con átomos metálicos aislados dispersos sobre soportes sólidos ha atraído una amplia atención de investigación debido a la máxima eficiencia de utilización de los átomos y las propiedades únicas de los SAC. En comparación con las estrategias rivales para hacer SAC, el método utilizado por el equipo de Aalto &CNRS proporciona un método sencillo que se lleva a cabo en un solo paso, manteniendo bajos los costos.

El sustrato de catalizador puede mejorar el rendimiento

Los catalizadores generalmente se depositan sobre un sustrato subyacente. El papel que juega este sustrato en la reactividad final del catalizador suele ser ignorado por los investigadores. sin embargo, para este nuevo catalizador, los investigadores vieron que el sustrato jugó un papel importante en su eficiencia. El equipo encontró que la estructura porosa de su material permite acceder a sitios de catalizador más activos formados en su interfaz con el sustrato. por lo que desarrollaron un nuevo método de análisis de microscopía electroquímica para medir cómo esta interfaz podría contribuir a catalizar la reacción y producir el catalizador más eficaz. Esperan que su estudio de los efectos del sustrato sobre la actividad catalítica de los materiales porosos establezca una base para el diseño racional de electrodos de alto rendimiento para los dispositivos de energía electroquímica y proporcione pautas para estudios futuros.