Con el fin de reducir el costo de las celdas de combustible de electrolitos poliméricos de próxima generación para vehículos, Los investigadores han estado desarrollando alternativas a los catalizadores de platino y metales del grupo del platino (PGM) prohibitivamente caros que se utilizan actualmente en los electrodos de las pilas de combustible. Un nuevo trabajo en los laboratorios nacionales de Los Alamos y Oak Ridge está resolviendo preguntas difíciles sobre el rendimiento de las celdas de combustible, tanto para determinar nuevos materiales eficientes como para comprender cómo funcionan a nivel atómico. La investigación se describe esta semana en la revista Ciencias .

"Lo que hace que esta exploración sea especialmente importante es que mejora nuestra comprensión de exactamente por qué estos catalizadores alternativos están activos, "dijo Piotr Zelenay, líder del proyecto en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. "Hemos estado avanzando en el campo, pero sin comprender las fuentes de actividad; sin los conocimientos estructurales y funcionales, seguir avanzando iba a ser muy difícil ".

Sobre la base de estudios anteriores, El equipo liderado por Los Alamos ha sintetizado catalizadores que comprenden alternativas de platino de bajo costo que producen un rendimiento comparable al catalizador de celda de combustible PGM estándar utilizado en aplicaciones de vehículos. Usando microscopía sofisticada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), los investigadores pudieron observar directamente los sitios activos de un solo átomo en el nuevo material donde tiene lugar la catálisis, que proporcionó información única sobre el potencial de eficiencia del material libre de PGM.

El platino ayuda tanto en la oxidación electrocatalítica del combustible de hidrógeno en el ánodo como en la reducción electrocatalítica del oxígeno del aire en el cátodo, produciendo electricidad utilizable. Encontrar un viable La alternativa de catalizador sin PGM de bajo costo es cada vez más posible, pero comprender exactamente dónde y cómo se está produciendo la catálisis en estos nuevos materiales ha sido un desafío de larga data. Esto es cierto, Zelenay señaló, especialmente en el cátodo de la pila de combustible, donde una reacción de reducción de oxígeno relativamente lenta, o ORR, tiene lugar que requiere una "carga" significativa de platino.

El nuevo material examinado en este estudio es un electrocatalizador de hierro-nitrógeno-carbono (Fe-N-C), sintetizado con dos precursores de nitrógeno que desarrollaron una estructura de poros jerárquica para exponer una gran fracción de las superficies de carbono al oxígeno. Su rendimiento de pila de combustible se acerca al de los catalizadores de platino, un avance significativo, como se documenta en el rendimiento del banco de pruebas de pilas de combustible.

Mediante el uso del microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberración de ORNL y la espectroscopia de pérdida de energía electrónica, Los investigadores de ORNL pudieron proporcionar la primera observación directa del sitio activo de ORR propuesto a menudo, FeN4, a nivel atómico.

"Con este rendimiento y la visualización atómica de los sitios de reacción, Estamos cerrando la brecha para reemplazar el platino con un catalizador de alto rendimiento preparado para ser ampliado para su aplicación potencial en celdas de combustible para aplicaciones automotrices. "dijo Karren More, Líder del equipo de microscopía ORNL.

Además, La alta actividad de los catalizadores de Fe-N-C y la estructura del sitio activo de FeN4 se predijo mediante un modelo informático realizado en Los Alamos, como era la posible vía de reacción.

"En este artículo vinculamos el modelado y los resultados de microscopía con la alta actividad determinada electroquímicamente de un catalizador de reacción de reducción de oxígeno libre de PGM, "Dijo Zelenay.

La investigación de Los Alamos sobre celdas de combustible amplía las opciones para la producción de energía en apoyo de la misión del Laboratorio de fortalecer la seguridad energética de la nación.