Un factor que frena el uso generalizado de pilas de combustible de hidrógeno ecológicas en los coches, camiones y otros vehículos es el costo de los catalizadores de platino que hacen que las células funcionen. Un enfoque para usar platino menos precioso es combinarlo con otros metales más baratos, pero esos catalizadores de aleación tienden a degradarse rápidamente en condiciones de pila de combustible.

Ahora, Investigadores de la Universidad de Brown han desarrollado un nuevo catalizador de aleación que reduce el uso de platino y se mantiene bien en las pruebas de pilas de combustible. El catalizador, hecho de aleación de platino con cobalto en nanopartículas, demostró superar los objetivos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para el año 2020 tanto en reactividad como en durabilidad, según las pruebas descritas en la revista Joule .

"La durabilidad de los catalizadores de aleación es un gran problema en el campo, "dijo Junrui Li, estudiante de posgrado en química en Brown y autor principal del estudio. "Se ha demostrado que inicialmente las aleaciones funcionan mejor que el platino puro, pero en las condiciones, dentro de una celda de combustible, la parte de metal no precioso del catalizador se oxida y se lixivia muy rápidamente ".

Para abordar este problema de lixiviación, Li y sus colegas desarrollaron nanopartículas de aleación con una estructura especializada. Las partículas tienen una capa exterior de platino puro que rodea un núcleo hecho de capas alternas de átomos de platino y cobalto. Esa estructura de núcleo en capas es clave para la reactividad y durabilidad del catalizador, dice Shouheng Sun, profesor de química en Brown y autor principal de la investigación.

"La disposición en capas de átomos en el núcleo ayuda a suavizar y apretar la red de platino en la capa exterior, ", Dijo Sun." Eso aumenta la reactividad del platino y al mismo tiempo protege a los átomos de cobalto de ser devorados durante una reacción. Es por eso que estas partículas funcionan mucho mejor que las partículas de aleación con disposiciones aleatorias de átomos metálicos ".

Los detalles de cómo la estructura ordenada mejora la actividad del catalizador se describen brevemente en el Joule papel, pero más específicamente en un artículo de modelado por computadora separado publicado en el Revista de física química . El trabajo de modelado fue dirigido por Andrew Peterson, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería de Brown, quien también fue coautor de la Joule papel.

Para el trabajo experimental, los investigadores probaron la capacidad del catalizador para realizar la reacción de reducción de oxígeno, que es fundamental para el rendimiento y la durabilidad de la pila de combustible. En un lado de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), los electrones eliminados del combustible de hidrógeno crean una corriente que impulsa un motor eléctrico. Al otro lado de la celda los átomos de oxígeno toman esos electrones para completar el circuito. Eso se hace mediante la reacción de reducción de oxígeno.

Las pruebas iniciales mostraron que el catalizador funcionó bien en el entorno de laboratorio, superando a un catalizador de aleación de platino más tradicional. El nuevo catalizador mantuvo su actividad después de 30, 000 ciclos de voltaje, mientras que el rendimiento del catalizador tradicional se redujo significativamente.

Pero aunque las pruebas de laboratorio son importantes para evaluar las propiedades de un catalizador, los investigadores dicen, no muestran necesariamente qué tan bien funcionará el catalizador en una celda de combustible real. El entorno de la pila de combustible es mucho más caliente y difiere en acidez en comparación con los entornos de prueba de laboratorio. que puede acelerar la degradación del catalizador. Para saber qué tan bien resistiría el catalizador en ese entorno, los investigadores enviaron el catalizador al Laboratorio Nacional de Los Alamos para probarlo en una celda de combustible real.

Las pruebas mostraron que el catalizador supera los objetivos establecidos por el Departamento de Energía (DOE) tanto para la actividad inicial como para la durabilidad a más largo plazo. El DOE ha desafiado a los investigadores a desarrollar un catalizador con una actividad inicial de 0,44 amperios por miligramo de platino para 2020, y una actividad de al menos 0,26 amperios por miligramo después de 30, 000 ciclos de voltaje (aproximadamente equivalente a cinco años de uso en un vehículo de pila de combustible). Las pruebas del nuevo catalizador mostraron que tenía una actividad inicial de 0,56 amperios por miligramo y una actividad después de 30, 000 ciclos de 0,45 amperios.

"Incluso después de los 30, 000 ciclos, nuestro catalizador aún superó el objetivo del DOE para la actividad inicial, ", Dijo Sun." Ese tipo de rendimiento en un entorno de pila de combustible del mundo real es realmente prometedor ".

Los investigadores han solicitado una patente provisional sobre el catalizador, y esperan seguir desarrollándolo y refinándolo.