Una nueva combinación de nanopartículas y grafeno da como resultado un material catalítico más duradero para las pilas de combustible. según el trabajo publicado hoy en línea en el Journal of the American Chemical Society. El material catalítico no solo es más resistente sino también más activo químicamente. Los investigadores confían en que los resultados ayudarán a mejorar el diseño de las pilas de combustible.

"Las pilas de combustible son un área importante de la tecnología energética, pero el costo y la durabilidad son grandes desafíos, ", dijo el químico Jun Liu." La estructura única de este material proporciona una estabilidad muy necesaria, buena conductividad eléctrica y otras propiedades deseadas ".

Liu y sus colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, Universidad de Princeton en Princeton, NUEVA JERSEY., y la Universidad Estatal de Washington en Pullman, Lavar., grafeno combinado, un panal de carbono de un átomo de espesor con útiles propiedades eléctricas y estructurales, con nanopartículas de óxido metálico para estabilizar un catalizador de pila de combustible y hacerlo mejor disponible para hacer su trabajo.

"Este material tiene un gran potencial para hacer que las pilas de combustible sean más baratas y duran más, "dijo el químico catalítico Yong Wang, que tiene una cita conjunta con PNNL y WSU. "El trabajo también puede proporcionar lecciones para mejorar el rendimiento de otros catalizadores basados ​​en carbono para una amplia gama de aplicaciones industriales".

Óxido de metal muscular

Las pilas de combustible funcionan descomponiendo químicamente los gases de oxígeno e hidrógeno para crear una corriente eléctrica, produciendo agua y calor en el proceso. La pieza central de la celda de combustible es el catalizador químico, generalmente un metal como el platino, que se apoya en un soporte que a menudo está hecho de carbono. Un buen material de soporte esparce el platino uniformemente sobre su superficie para maximizar el área de superficie con la que puede atacar las moléculas de gas. También es conductor de electricidad.

Los desarrolladores de celdas de combustible usan con mayor frecuencia carbón negro (piense en la mina de un lápiz), pero los átomos de platino tienden a acumularse en ese carbón. Además, el agua puede degradar el carbono. Otra opción de soporte son los óxidos metálicos, piense en el óxido, pero lo que los óxidos metálicos compensan en estabilidad y dispersión del catalizador, pierden conductividad y facilidad de síntesis. Otros investigadores han comenzado a explorar los óxidos metálicos junto con los materiales de carbono para obtener lo mejor de ambos mundos.

Como soporte de carbono, Liu y sus colegas pensaron que el grafeno era intrigante. La celosía de panal de grafeno es porosa, eléctricamente conductor y ofrece mucho espacio para que funcionen los átomos de platino. Primero, El equipo cristalizó nanopartículas del óxido metálico conocido como óxido de indio y estaño, o ITO, directamente sobre grafeno especialmente tratado. Luego agregaron nanopartículas de platino al grafeno-ITO y probaron los materiales.

Peso platino

El equipo observó los materiales con microscopios de alta resolución en EMSL, Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE en el campus de la PNNL. Las imágenes mostraron que sin ITO, Los átomos de platino se agruparon en la superficie del grafeno. Pero con ITO, el platino se extendió muy bien. Esas imágenes también mostraron platino catalítico encajado entre las nanopartículas y la superficie del grafeno. con las nanopartículas asentadas parcialmente sobre el platino como un pisapapeles.

Para ver cuán estable era este arreglo, el equipo realizó cálculos teóricos de interacciones moleculares entre el grafeno, platino e ITO. Este cálculo numérico en la supercomputadora Chinook de EMSL mostró que el trío era más estable que el óxido metálico solo en grafeno o el catalizador solo en grafeno.

Pero la estabilidad no importa si el catalizador no funciona. En las pruebas de qué tan bien los materiales descomponen el oxígeno como lo harían en una celda de combustible, la triple amenaza empaquetaba aproximadamente un 40% más de impacto que el catalizador solo en grafeno o el catalizador solo en otros soportes a base de carbono, como el carbón activado.

Último, El equipo probó qué tan bien el nuevo material resiste el uso repetido envejeciéndolo artificialmente. Después de envejecer, El material tripartito demostró ser tres veces más duradero que el catalizador solitario del grafeno y dos veces más duradero que el carbón activado de uso común. Las pruebas de corrosión revelaron que la triple amenaza también era más resistente que los otros materiales probados.

El equipo ahora está incorporando el material platino-ITO-grafeno en celdas de combustible experimentales para determinar qué tan bien funciona en condiciones del mundo real y cuánto tiempo dura.