Un equipo de investigación multiinstitucional dirigido por científicos de materiales del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) ha diseñado un catalizador altamente activo y duradero que no depende del costoso platino para estimular la reacción química necesaria.

El nuevo catalizador contiene cobalto intercalado con nitrógeno y carbono. En comparación con un catalizador de estructura similar hecho de hierro, otro prometedor, sustituto de platino bien estudiado, el equipo descubrió que el catalizador de cobalto logró una reacción similar pero con cuatro veces más durabilidad.

La investigación del equipo, que se muestra prometedor para las pilas de combustible en el transporte, fue publicado el 30 de noviembre, Edición de 2020 de Catálisis de la naturaleza .

Buscando un reemplazo para el costoso platino

Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, o PEM, generalmente se conciben para combinarse con hidrógeno para múltiples aplicaciones en diferentes sectores, incluido el transporte, energía estacionaria y de respaldo, fabricación de metales, y más. Estos altamente eficientes, Los dispositivos de conversión de energía limpia requieren catalizadores muy activos para la reacción química:la reacción de reducción de oxígeno, o el "elemento vital" que hace que una pila de combustible funcione de manera eficiente.

Los metales del grupo del platino sirven como el material catalizador más productivo para las pilas de combustible PEM, pero representan aproximadamente la mitad del costo de la pila de combustible.

Entonces, los científicos están estudiando metales de transición como el hierro como una alternativa prometedora al platino, pero han descubierto que se degradan rápidamente en el ambiente ácido de la pila de combustible PEM.

Entra el cobalto, un metal de transición que es, en relación con el platino, económico y abundante. Estudios anteriores habían demostrado que el cobalto es mucho menos activo que los catalizadores a base de hierro.

"Sabíamos que la configuración del cobalto con nitrógeno y carbono era clave para la eficacia con la que reacciona el catalizador y que la densidad del sitio activo era de vital importancia para el rendimiento, "dijo el científico de materiales de PNNL Yuyan Shao, quien dirigió el estudio. "Nuestro objetivo era mejorar realmente la actividad de reacción de los catalizadores a base de cobalto".

Esgrima en los átomos

El equipo inmovilizó moléculas a base de cobalto en los microporos de estructuras de imidazolato zeolítico, que sirvieron como vallas protectoras para disminuir la movilidad de los átomos de cobalto y evitar que se agrupen. Luego utilizaron la pirólisis a alta temperatura para convertir los átomos en sitios catalíticamente activos dentro del marco.

Dentro de esta estructura, descubrieron que la densidad de los sitios activos aumentó significativamente, aumentando a su vez la actividad de reacción. Esta, De hecho, logró la actividad más alta en celdas de combustible reportada para no hierro, catalizadores libres de metales del grupo del platino hasta la fecha.

El equipo también descubrió que el catalizador a base de cobalto es mucho más duradero que el catalizador a base de hierro sintetizado utilizando el mismo enfoque. Ellos descubrieron, por primera vez, diferencias significativas en la desmetalización, donde los iones metálicos se lixivian del catalizador y ese catalizador pierde actividad. También encontraron que los radicales de oxígeno del peróxido de hidrógeno, un subproducto de la reducción de oxígeno en las pilas de combustible, Atacan los catalizadores y provocan una pérdida de rendimiento.

Alta actividad, mayor durabilidad

"En el final, pudimos no solo mejorar la actividad del catalizador a base de cobalto, pero mejoramos significativamente la durabilidad, ", dijo Shao." Nuestra investigación adicional nos llevó a descubrir los mecanismos que normalmente degradan este tipo de catalizadores ".