Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) son una tecnología de almacenamiento de energía que ayudará a reducir la huella ambiental del transporte. Estas pilas de combustible utilizan una reacción química conocida como reducción de oxígeno. Esta reacción necesita un catalizador de bajo costo para aplicaciones comerciales generalizadas. El carbono dopado con nitrógeno es uno de esos catalizadores, pero los detalles químicos de cómo funciona el dopaje con nitrógeno son bastante controvertidos. Este conocimiento es importante para mejorar la función de las pilas de combustible PEM en tecnologías futuras.

En un estudio publicado recientemente en Angewandte Chemie Edición Internacional, Investigadores de la Universidad de Tsukuba informaron detalles químicos para optimizar la reacción de reducción de oxígeno en las células de combustible PEM en condiciones ácidas. Esta configuración ayuda al catalizador de carbono a adsorber oxígeno de una manera que permite que funcione la celda de combustible.

El nitrógeno puede adoptar varias configuraciones de unión, como piridínico, en catalizadores de carbono dopados con nitrógeno. Durante años, Los investigadores han intentado determinar qué configuraciones de enlace son la fuente de actividad electrolítica en las pilas de combustible PEM. Los resultados de tales estudios pueden no estar claros a menos que los mecanismos de reacción se aclaren con un enlace controlado y una orientación cristalográfica del átomo de nitrógeno en los catalizadores.

"Depositamos siete moléculas de nitrógeno en un catalizador de negro de humo paracristalino para fabricar catalizadores modelo con estructuras homogéneas, "dice el autor principal, el profesor Kotaro Takeyasu." Encontramos que 1, 10-fenantrolina, con dos átomos de nitrógeno piridínico en los bordes del sillón del catalizador, tuvo la mayor actividad con respecto a la densidad de corriente ".

El ácido sulfúrico acidificó completamente los átomos de nitrógeno en el catalizador. Al aplicar un voltaje apropiado en condiciones saturadas de oxígeno, se redujeron los átomos de nitrógeno protonados en el catalizador. Esto fue atribuible a la adsorción simultánea de oxígeno, porque no hubo reducción en las condiciones saturadas de nitrógeno.

"Los cálculos de la teoría funcional de la densidad también indican que la adsorción de oxígeno promueve la reducción de átomos de nitrógeno completamente protonados, "explica el autor principal, Profesor Junji Nakamura. "Por lo tanto, el oxígeno se absorbe en el catalizador y, al mismo tiempo, los átomos de nitrógeno se reducen para ciclos catalíticos adicionales ".

Las pilas de combustible PEM actuales utilizan catalizadores de platino. Debido a que el platino es un metal raro, no es una opción realista para aplicaciones comerciales a largo plazo. Por lo tanto, Los catalizadores de platino no permitirán que las pilas de combustible PEM contribuyan a una economía de bajas emisiones de carbono. Los hallazgos descritos aquí ayudarán a los investigadores a mejorar el rendimiento de los catalizadores a base de carbono para las celdas de combustible PEM y mejorar la sostenibilidad del transporte.