Diagrama conceptual del catalizador de un solo átomo desarrollado por investigadores de KIST. Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST)
A diferencia de las baterías secundarias que necesitan recargarse, Las pilas de combustible son un tipo de sistema de generación de energía ecológico que produce electricidad directamente a partir de reacciones electroquímicas utilizando hidrógeno como combustible y oxígeno como oxidante. Hay varios tipos de pilas de combustible, que difieren en las temperaturas de funcionamiento y los materiales electrolíticos. Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), que utilizan un electrolito cerámico, están recibiendo una atención cada vez mayor. Debido a que operan a altas temperaturas de alrededor de 700 grados Celsius, ofrecen la mayor eficiencia entre los tipos de pilas de combustible, y también se puede utilizar para producir hidrógeno por descomposición con vapor. Para la comercialización de esta tecnología, es necesaria una mayor mejora del rendimiento celular, y se esperan con gran anticipación nuevos materiales catalizadores de alta temperatura.
Los catalizadores a base de platino (Pt) demuestran un excelente rendimiento en las reacciones de los electrodos de las pilas de combustible. Los catalizadores de Pt de un solo átomo son interesantes debido a su funcionalidad única. Sin embargo, a altas temperaturas, los átomos de Pt no son estables y se aglomeran fácilmente. Por lo tanto, Los catalizadores de Pt de un solo átomo se han utilizado solo en pilas de combustible de baja temperatura, como las pilas de combustible de membrana de polímero-electrolito, que se utilizan para vehículos eléctricos de hidrógeno.
Un equipo de investigación ha desarrollado un catalizador que requiere solo una pequeña cantidad de platino para una mejora significativa del rendimiento. y puede funcionar de forma estable a altas temperaturas. Dr. Kyung-Joong Yoon y el investigador Ji-Su Shin del Centro de Investigación de Materiales Energéticos, junto con el profesor Yun Jung Lee de la Universidad de Hanyang han desarrollado un catalizador de Pt de un solo átomo que se puede utilizar para SOFC.
En su investigación, los átomos de platino completos se distribuyen uniformemente y funcionan individualmente sin aglomeración, incluso a altas temperaturas. Se ha demostrado experimentalmente que aumenta la velocidad de reacción del electrodo en más de 10 veces. También puede funcionar durante más de 500 horas, incluso a altas temperaturas de hasta 700 grados Celsius y mejora la generación de energía eléctrica y el rendimiento de producción de hidrógeno de tres a cuatro veces. Se espera que acelere la comercialización de pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), la próxima generación de pilas de combustible ecológicas.
(izquierda) electrodo de celda de combustible de óxido sólido (centro) un catalizador de un solo átomo formado en la superficie dentro del electrodo. (derecha) átomo de platino disperso en la superficie catalítica (punto brillante:átomo de platino). Crédito:Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST)
El equipo de investigación de KIST-Hanyang University fabricó el catalizador de un solo átomo combinando átomos de platino y nanopartículas de óxido de cerio (Ce). Cada átomo de platino se dispersa individualmente en la superficie de las nanopartículas de óxido de cerio, y el enlace fuerte mantiene el estado disperso de los átomos durante un largo período de tiempo, incluso a altas temperaturas, lo que permite que todos los átomos de platino participen en la reacción. Esto, a su vez, hace posible mejorar sustancialmente la velocidad de reacción del electrodo mientras se minimiza la cantidad de platino utilizado.
Para la fabricación, se inyecta una solución que contiene iones de platino y cerio en el electrodo de la SOFC, y los catalizadores se sintetizan mientras la pila de combustible está funcionando a alta temperatura. Debido a que la inyección en el electrodo se puede realizar fácilmente sin ningún equipo especial, el catalizador desarrollado recientemente se puede aplicar fácilmente a los procesos de fabricación de pilas de combustible existentes.
El Dr. Kyung-Joong Yoon de KIST dijo:"El catalizador desarrollado en este estudio se puede aplicar a una amplia variedad de celdas de combustible de óxido sólido y dispositivos electroquímicos de alta temperatura mediante un proceso fácil y simple de bajo costo, por lo que se espera que acelere el desarrollo de dispositivos de almacenamiento y generación de energía ecológicos de próxima generación. Basado en el hecho de que el catalizador de un solo átomo puede operar de manera estable incluso a 700 grados Celsius o más, sus campos de aplicación se ampliarán enormemente, incluyendo reacciones termoquímicas de alta temperatura y reacciones electroquímicas de alta temperatura ".
