Las pilas de combustible de hidrógeno son una tecnología prometedora para producir energía limpia y renovable. pero el costo y la actividad de sus materiales catódicos es un desafío importante para la comercialización. Muchas pilas de combustible requieren costosos catalizadores a base de platino, sustancias que inician y aceleran reacciones químicas, para ayudar a convertir los combustibles renovables en energía eléctrica. Para hacer que las pilas de combustible de hidrógeno sean comercialmente viables, Los científicos están buscando catalizadores más asequibles que proporcionen la misma eficiencia que el platino puro.

"Como una batería, Las pilas de combustible de hidrógeno convierten la energía química almacenada en electricidad. La diferencia es que está usando un combustible recargable, por lo que en principio, esa 'batería' duraría para siempre, "dijo Adrian Hunt, un científico del National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. "Encontrar un catalizador económico y eficaz para las pilas de combustible de hidrógeno es básicamente el santo grial para hacer que esta tecnología sea más viable".

Participando en esta búsqueda mundial de materiales de cátodos para pilas de combustible, Los investigadores de la Universidad de Akron desarrollaron un nuevo método para sintetizar catalizadores a partir de una combinación de metales —platino y níquel— que forman nanopartículas octaédricas (de ocho lados). Si bien los científicos han identificado este catalizador como uno de los reemplazos más eficientes del platino puro, no han entendido completamente por qué crece en forma octaédrica. Para comprender mejor el proceso de crecimiento, los investigadores de la Universidad de Akron colaboraron con múltiples instituciones, incluyendo Brookhaven y su NSLS-II.

"Comprender cómo se forma el catalizador facetado juega un papel clave en el establecimiento de su correlación estructura-propiedad y en el diseño de un mejor catalizador, "dijo Zhenmeng Peng, investigador principal del laboratorio de catálisis de la Universidad de Akron. "El caso del proceso de crecimiento para el sistema de platino-níquel es bastante sofisticado, por lo que colaboramos con varios grupos experimentados para abordar los desafíos. Las técnicas de vanguardia del Brookhaven National Lab fueron de gran ayuda para estudiar este tema de investigación ".

Usando los rayos X ultrabrillantes en NSLS-II y las capacidades avanzadas de la línea de luz de Espectroscopía de rayos X (IOS) in situ y Operando Soft de NSLS-II, los investigadores revelaron la caracterización química de la vía de crecimiento del catalizador en tiempo real. Sus hallazgos se publican en Comunicaciones de la naturaleza .

"Utilizamos una técnica de investigación llamada espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental (AP-XPS) para estudiar la composición de la superficie y el estado químico de los metales en las nanopartículas durante la reacción de crecimiento, "dijo Iradwikanari Waluyo, científico principal de IOS y coautor del artículo de investigación. "En esta técnica, dirigimos rayos X a una muestra, lo que hace que se liberen electrones. Al analizar la energía de estos electrones, somos capaces de distinguir los elementos químicos de la muestra, así como sus estados químicos y de oxidación ".

Cazar, que también es autor del artículo, adicional, "Es similar a la forma en que la luz del sol interactúa con nuestra ropa. La luz del sol es aproximadamente amarilla, pero una vez que golpea la camisa de una persona, puedes saber si la camisa es azul, rojo, o verde ".

En lugar de colores, los científicos estaban identificando información química en la superficie del catalizador y comparándola con su interior. Descubrieron que, durante la reacción de crecimiento, El platino metálico se forma primero y se convierte en el núcleo de las nanopartículas. Luego, cuando la reacción alcanza una temperatura ligeramente superior, el platino ayuda a formar níquel metálico, que luego se segrega a la superficie de la nanopartícula. En las etapas finales de crecimiento, la superficie se convierte aproximadamente en una mezcla igual de los dos metales. Este interesante efecto sinérgico entre el platino y el níquel juega un papel importante en el desarrollo de la forma octaédrica de las nanopartículas, así como su reactividad.

"Lo bueno de estos hallazgos es que el níquel es un material barato, mientras que el platino es caro, "Hunt dijo." Entonces, si el níquel en la superficie de la nanopartícula está catalizando la reacción, y estas nanopartículas siguen siendo más activas que el platino por sí mismo, entonces, con suerte, con más investigación, podemos calcular la cantidad mínima de platino para agregar y aún así obtener la alta actividad, creando un catalizador más rentable ".

Los hallazgos dependieron de las capacidades avanzadas de IOS, donde los investigadores pudieron ejecutar los experimentos a presiones de gas más altas de lo que normalmente es posible en los experimentos convencionales de XPS.

"En IOS, pudimos seguir los cambios en la composición y el estado químico de las nanopartículas en tiempo real durante las condiciones reales de crecimiento, "dijo Waluyo.

Estudios adicionales de rayos X y de imágenes de electrones completados en Advanced Photon Source (APS) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y en la Universidad de California-Irvine. respectivamente, complementó el trabajo en NSLS-II.

"Este trabajo fundamental destaca el importante papel del níquel segregado en la formación del catalizador con forma octaédrica. Hemos logrado más información sobre el control de la forma de las nanopartículas del catalizador, ", Dijo Peng." Nuestro próximo paso es estudiar las propiedades catalíticas de las nanopartículas facetadas para comprender la correlación estructura-propiedad ".