Imágenes de microscopía de fuerza atómica que muestran una cobertura variada de una capa de oro (el tono más claro) sobre los bordes de una superficie de platino. La capa de oro mitiga la disolución del platino durante las operaciones de la pila de combustible. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Los vehículos propulsados por pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC) son energéticamente eficientes y ecológicos. pero a pesar del creciente interés público en el transporte impulsado por PEMFC, El rendimiento actual de los materiales que se utilizan en las pilas de combustible limita su comercialización generalizada.
Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) dirigieron un equipo para investigar reacciones en PEMFC, y sus descubrimientos informaron la creación de tecnología que podría acercar las celdas de combustible un paso más hacia la realización de todo su potencial de mercado.
Los PEMFC dependen del hidrógeno como combustible, que se oxida en el lado del ánodo de la celda a través de una reacción de oxidación de hidrógeno, mientras que el oxígeno del aire se utiliza para una reacción de reducción de oxígeno (ORR) en el cátodo. A través de estos procesos, las pilas de combustible producen electricidad para alimentar motores eléctricos en vehículos y otras aplicaciones, emitiendo agua como único subproducto.
A base de platino, Las nanopartículas son los materiales más eficaces para promover reacciones en las pilas de combustible. incluyendo el ORR en el cátodo. Sin embargo, además de su alto costo, Las nanopartículas de platino sufren una degradación gradual. especialmente en el cátodo, lo que limita el rendimiento catalítico y reduce la vida útil de la pila de combustible.
El equipo de investigación que incluía el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE y varias universidades asociadas, utilizó un enfoque novedoso para examinar los procesos de disolución del platino a nivel atómico y molecular. La investigación les permitió identificar el mecanismo de degradación durante la ORR catódica, y las ideas guiaron el diseño de un nanocatalizador que usa oro para eliminar la disolución del platino.
"La disolución del platino se produce a escala atómica y molecular durante la exposición al entorno altamente corrosivo de las pilas de combustible, "dijo Vojislav Stamenkovic, un científico senior y líder de grupo para el grupo de Conversión y Almacenamiento de Energía en la División de Ciencia de Materiales (MSD) de Argonne. "Esta degradación del material afecta las operaciones a largo plazo de la pila de combustible, presenta un obstáculo para la implementación de pilas de combustible en el transporte, específicamente en aplicaciones de servicio pesado como camiones de largo recorrido ".
Empezando pequeño
Los científicos utilizaron una gama de herramientas de caracterización personalizadas para investigar la disolución de estructuras de platino bien definidas en superficies monocristalinas. películas delgadas y nanopartículas.
“Hemos desarrollado capacidades para observar procesos a escala atómica para comprender los mecanismos responsables de la disolución e identificar las condiciones en las que ocurre, "dijo Pietro Papa Lopes, científico del MSD de Argonne y primer autor del estudio. "Luego implementamos este conocimiento en el diseño de materiales para mitigar la disolución y aumentar la durabilidad".
El equipo estudió la naturaleza de la disolución en el nivel fundamental utilizando herramientas específicas de superficie, métodos electroquímicos, por inducción de plasma espectrometría de masas, modelado computacional y fuerza atómica, microscopías de túnel de barrido y de transmisión de alta resolución.
Además, los científicos confiaron en un enfoque de síntesis de alta precisión para crear estructuras con propiedades físicas y químicas bien definidas, asegurando que las relaciones entre estructura y estabilidad descubiertas al estudiar superficies 2-D se trasladaran a las nanopartículas 3-D que produjeron.
"Realizamos estos estudios, a partir de monocristales, a películas delgadas, a las nanopartículas, que nos mostraron cómo sintetizar catalizadores de platino para aumentar la durabilidad, "dijo Lopes, "y al observar estos diferentes materiales, también identificamos estrategias para usar oro para proteger el platino ".
Vamos por oro
A medida que los científicos descubrieron la naturaleza fundamental de la disolución al observar su ocurrencia en varios escenarios del banco de pruebas, el equipo utilizó el conocimiento para mitigar la disolución con la adición de oro.
Los investigadores utilizaron capacidades de microscopía electrónica de transmisión en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne y en el Centro de Ciencias de Materiales en Nanofase en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para obtener imágenes de nanopartículas de platino después de la síntesis y antes y después de la operación. Esta técnica permitió a los científicos comparar la estabilidad de las nanopartículas con y sin oro incorporado.
El equipo descubrió que la colocación controlada de oro en el núcleo promueve la disposición del platino en una estructura de superficie óptima que otorga una alta estabilidad. Además, el oro se depositó selectivamente en la superficie para proteger sitios específicos que el equipo identificó como particularmente vulnerables a la disolución. Esta estrategia elimina la disolución del platino incluso de las nanopartículas más pequeñas utilizadas en este estudio al mantener los átomos de platino unidos a los sitios donde aún pueden catalizar eficazmente la ORR.
Comprensión a nivel atómico
Comprender los mecanismos detrás de la disolución a nivel atómico es esencial para descubrir la correlación entre la pérdida de platino, estructura superficial y tamaño y proporción de nanopartículas de platino, y determinar cómo estas relaciones afectan la operación a largo plazo.
"La parte novedosa de esta investigación es resolver los mecanismos y mitigar por completo la disolución del platino mediante el diseño de materiales a diferentes escalas, desde monocristales y películas delgadas hasta nanopartículas, ", dijo Stamenkovic." Son los conocimientos que obtuvimos junto con el diseño y la síntesis de un nanomaterial que aborda los problemas de durabilidad en las pilas de combustible, así como la capacidad de delinear y cuantificar la disolución del catalizador de platino de otros procesos que contribuyen al deterioro del rendimiento de la pila de combustible ".
El equipo también está desarrollando un algoritmo predictivo de envejecimiento para evaluar la durabilidad a largo plazo de las nanopartículas a base de platino y encontró una mejora de 30 veces en la durabilidad en comparación con las nanopartículas sin oro.
Un artículo sobre el estudio, titulado "Eliminación de la disolución de electrocatalizadores a base de platino a escala atómica, "Fue publicado el 20 de julio en Materiales de la naturaleza .
