En el diario Ciencias , Los químicos de Argonne han identificado un nuevo catalizador que maximiza la eficacia del platino.

El platino es un metal precioso más raro que la plata o el oro. Reconocido en la comunidad de pilas de combustible por su eficacia en la conversión de hidrógeno y oxígeno en agua y electricidad, el platino ofrece una actividad y estabilidad incomparables para las reacciones electroquímicas.

Pero el platino es escaso y caro, lo que significa que los científicos están buscando crear catalizadores de pila de combustible prácticos que utilicen mucho menos del costoso metal precioso.

En una nueva investigación del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), publicado en Ciencias , Los científicos han identificado un nuevo catalizador que utiliza solo alrededor de una cuarta parte del platino que la tecnología actual al maximizar la efectividad del platino disponible.

En una celda de combustible, el platino se usa de dos maneras:para convertir hidrógeno en protones y electrones, y romper los enlaces de oxígeno y eventualmente formar agua. La última reacción, la reacción de reducción de oxígeno, requiere una cantidad especialmente grande de platino, y los científicos han estado buscando una forma de reducir el contenido de platino en los catalizadores de reducción de oxígeno.

Los científicos de Argonne encontraron formas novedosas de mejorar sustancialmente la utilización del platino. Primero, ajustaron la forma del platino para maximizar su disponibilidad y reactividad en el catalizador. En esta configuración, unas pocas capas de átomos de platino puro cubren un núcleo de nanopartículas de aleación de cobalto-platino para formar una estructura de núcleo-capa.

"Si solo recibe una cantidad muy pequeña de platino en primer lugar, hay que aprovecharlo al máximo, "Dijo el químico de Argonne Di-Jia Liu, el autor correspondiente del estudio. "El uso de una aleación de núcleo y carcasa de platino-cobalto nos permite crear un mayor número de partículas catalíticamente activas para esparcirse sobre la superficie del catalizador, pero este es solo el primer paso ".

Las nanopartículas de núcleo-capa por sí solas todavía no pueden manejar una gran afluencia de oxígeno cuando la celda de combustible necesita aumentar la corriente eléctrica. Para aumentar la eficiencia del catalizador, Liu y sus colegas confiaron en otro enfoque que conocían bien de sus investigaciones anteriores, produciendo un catalíticamente activo, sustrato libre de metales del grupo del platino (libre de PGM) como soporte para las nanopartículas de aleación de cobalto-platino.

Utilizando armazones organometálicos como precursores, Liu y sus colegas pudieron preparar un sustrato compuesto de cobalto-nitrógeno-carbono en el que los centros catalíticamente activos se distribuyen uniformemente cerca de las partículas de platino-cobalto. Dichos centros activos son capaces de romper los enlaces de oxígeno por sí mismos y funcionan sinérgicamente con el platino.

"Puedes pensar en ello como un equipo de fútbol molecular, "Dijo Liu." Las nanopartículas núcleo-capa actúan como linieros defensivos esparcidos por todo el campo, tratando de hacer frente a demasiadas moléculas de oxígeno al mismo tiempo. Lo que hemos hecho es hacer que el 'campo' en sí sea catalíticamente activo, capaz de ayudar a abordar el oxígeno ".

Como se vio despues, el nuevo catalizador combinado no solo mejoró la actividad sino también la durabilidad en comparación con cualquiera de los componentes por separado.

Liu y sus colegas han creado un proceso patentado que implica calentar primero las estructuras organometálicas que contienen cobalto. A medida que aumenta la temperatura, algunos de los átomos de cobalto interactúan con los orgánicos para formar un sustrato libre de PGM, mientras que otros se reducen a pequeños grupos de metales bien dispersos por todo el sustrato. Después de la adición de platino seguida de recocido, Las partículas de núcleo-capa de platino-cobalto se forman y están rodeadas por sitios activos libres de PGM.

Si bien el objetivo final es eliminar por completo el platino de los catalizadores de pilas de combustible de hidrógeno, Liu dijo que la investigación actual abre una nueva dirección para abordar tanto la actividad del catalizador de la celda de combustible como la durabilidad de una manera rentable. "Dado que los nuevos catalizadores solo requieren una cantidad ultrabaja de platino, similar al utilizado en los convertidores catalíticos de automóviles existentes, podría ayudar a facilitar la transición de los motores de combustión interna convencionales a los vehículos de pila de combustible sin interrumpir la cadena de suministro y el mercado del platino, " él dijo.

El estudio consistió en el diseño y síntesis de catalizadores, modelado computacional y caracterización estructural avanzada en la fuente de fotones avanzada y el centro de materiales a nanoescala de Argonne, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Un artículo basado en el estudio, "Catalizadores de pila de combustible de platino-cobalto de carga ultrabaja derivados de estructuras de imidazolato, "apareció en la edición del 8 de noviembre de Ciencias .