Los investigadores de Lehigh han colaborado con colegas en China y en tres laboratorios nacionales en los Estados Unidos para desarrollar un catalizador a base de oro que creen que podría mejorar el rendimiento y la eficiencia de las pilas de combustible que funcionan con hidrógeno.

Escribiendo en Ciencias revista, El grupo dijo que su catalizador, que comprende nanopartículas de oro en forma de balsa sobre un tipo especial de sustrato de carburo de molibdeno (α-MoC), había alcanzado un alto nivel de actividad a bajas temperaturas mientras producía las corrientes puras de hidrógeno necesarias para alimentar las pilas de combustible.

Los investigadores dijeron que lograron sus resultados utilizando la reacción de cambio de agua-gas (WGS), que convierte el monóxido de carbono (CO) y el agua en hidrógeno (H2) y dióxido de carbono (CO2). El grupo pudo purificar el hidrógeno utilizando todo el CO disponible, que tiende a desactivar los catalizadores de pilas de combustible. La reacción de WGS, que se utiliza normalmente para producir hidrógeno para la fabricación de productos químicos como el amoníaco, también es una parte fundamental del esfuerzo por realizar la transición de los combustibles a base de hidrocarburos al hidrógeno.

"Nuestra reacción produce una corriente de hidrógeno de alta pureza que no está contaminada con CO, que si están presentes envenenarían los catalizadores dentro de la pila de combustible, "dijo Christopher J. Kiely, el profesor titular Harold B. Chambers de ciencia e ingeniería de materiales en Lehigh. "Estamos realmente entusiasmados con este desarrollo porque nos acerca un paso más a tener automóviles que funcionan con pilas de combustible de hidrógeno".

Kiely dijo que el uso del sustrato α-MoC, una innovación de Ding Ma y sus colegas de la Universidad de Pekín en China, permitió al grupo superar las deficiencias informadas anteriormente al catalizar la reacción de WGS.

"Se sabe desde hace mucho tiempo que el oro soportado sobre varios sustratos de óxido podría provocar la reacción de WGS. El punto de fricción hasta la fecha ha sido que, en general, la actividad catalítica era demasiado baja e invariablemente el catalizador no era lo suficientemente estable para un uso a largo plazo".

El grupo informó sus resultados el 28 de julio en un artículo titulado "Clústeres de Au en capas atómicas sobre carburo de alfa-molibdeno (α-MoC) como catalizadores para la reacción de cambio de agua-gas a baja temperatura".

Además de Kiely, Los autores del artículo incluyen a Li Lu, un Doctorado en Lehigh. candidato, y Wu Zhou, quien obtuvo su Ph.D. en Lehigh en 2010 y ahora es profesor en la Universidad de la Academia de Ciencias de China en Beijing.

Los otros autores están afiliados a la Universidad de Pekín, Universidad Tecnológica de Dalian, Synfuels China y la Universidad Tecnológica de Taiyuan, todo en China, y Oak Ridge, Brookhaven y Lawrence Berkeley National Laboratories en los EE. UU. El científico principal del trabajo es Ding Ma, profesor de la Facultad de Química e Ingeniería Molecular y de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Pekín en Beijing.

Para lograr una alta actividad catalítica a baja temperatura (es decir, por debajo de los 150 grados C necesarios para operar eficientemente una pila de combustible), el grupo dispersó el oro en un carburo (α-MoC) en lugar del óxido de hierro, óxido de cerio u otros sustratos de óxido reducible previamente probados para la reacción WGS. La nueva formulación de catalizador demostró ser más estable que los catalizadores convencionales, mientras logra una actividad mucho mayor, una medida de la eficiencia de un catalizador.

"La belleza de la compatibilidad con α-MoC, "dijo Kiely, "es que puede activar el agua para que cree especies de hidroxilo (OH) de superficie activa, que luego puede reaccionar con el CO para dar hidrógeno y CO2. Por lo tanto, el soporte de carburo juega un papel muy fuerte y crítico en esta reacción.

"Este sistema funciona muy bien a las temperaturas y presiones necesarias para las aplicaciones de pilas de combustible y su actividad es un orden de magnitud mejor que la de los catalizadores basados ​​en oro previamente probados".

En estudios realizados con el microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones (STEM) de Lehigh, el grupo demostró que el oro existe en dos formas distintas en el soporte α-MoC.

"La microscopía ha demostrado que el oro existe como balsas a nanoescala de solo unos pocos átomos de espesor y también como átomos de oro individuales dispersos sobre el soporte, "dijo Kiely, quien dirige la instalación de microscopía electrónica y nanofabricación de Lehigh.

"Medimos la actividad catalítica con ambas especies presentes en el soporte de α-MoC. Luego, eliminamos selectivamente las partículas, dejando solo los átomos atrás. Cuando hicimos esto, la actividad cayó a menos de una décima parte de su nivel original. Eso nos mostró que la mayor parte de la actividad proviene de estas partículas en forma de balsa ".

El artículo es el noveno que Kiely ha publicado hasta la fecha en Science; también ha publicado cuatro en Nature. Las dos publicaciones se consideran las revistas científicas más importantes del mundo.

A principios de este mes, Kiely recibió uno de los más altos honores en su campo cuando fue admitido como miembro de la Microscopy Society of America.

La designación de miembro de la MSA reconoce anualmente a los miembros distinguidos de la sociedad cuyos logros y servicios han contribuido de manera significativa al avance de los campos de la microscopía y el microanálisis.

Kiely fue citado por "contribuciones distinguidas a la caracterización de características a nanoescala en materiales particulados e interfaces, particularmente en las áreas de materiales catalizadores, fenómenos de autoensamblaje de nanopartículas, materiales carbonosos, y heterointerfaces de semiconductores ".