Las celdas de combustible de hidrógeno son muy prometedoras como fuentes de energía sostenibles y ecológicas para impulsar el transporte por tierra, aire y mar. Pero los catalizadores tradicionales utilizados para impulsar las reacciones químicas en las celdas de combustible de hidrógeno son demasiado costosos e ineficientes para justificar un cambio comercial a gran escala de las tecnologías existentes.

En una nueva investigación interdisciplinaria publicada en ACS Catalysis , los científicos del noreste han identificado una nueva clase de catalizadores que, debido a su naturaleza particular de metales no nobles, podrían reemplazar el estándar basado en platino que ha impedido que el hidrógeno avance en el sector de los combustibles.

"Estamos haciendo una transición rápida a los modos de transporte eléctricos y, tal como lo veo, las baterías son solo una fase de transición", dice Sanjeev Mukerjee, un distinguido profesor de química y biología química en Northeastern, quien es coautor del estudio. "No es la respuesta definitiva para reemplazar los combustibles fósiles".

Es en el hidrógeno, o "portadores de hidrógeno", moléculas más grandes en las que el hidrógeno es solo una parte, donde se encuentra la respuesta, dice. El hidrógeno, el elemento más abundante en el universo, actúa como portador de energía y puede separarse del agua, los combustibles fósiles o la biomasa y aprovecharse como combustible. Las pilas de combustible de hidrógeno convierten el hidrógeno en electricidad; ya diferencia del motor de combustión interna, que produce subproductos químicos tóxicos y cancerígenos, las celdas de combustible de hidrógeno solo producen agua, agua potable real, como resultado de la reacción química.

"El mayor cuello de botella en este momento es, uno:infraestructura para el combustible, es decir, hidrógeno o un portador de hidrógeno; y el número dos es el alto costo de los catalizadores, porque el estado actual del arte requiere metales nobles", dice Mukerjee. . "Por lo tanto, hay esfuerzos dobles para reducir la carga de metales nobles y encontrar catalizadores más sostenibles utilizando elementos que son muy abundantes en la tierra".

Los catalizadores se utilizan en las celdas de combustible de hidrógeno para acelerar el proceso de conversión de energía, llamado reacción de reducción de oxígeno. Un catalizador sostenible es uno que está hecho de "materiales abundantes en la tierra" y uno que, cuando se introduce oxígeno en la reacción química, no produce carbono, dice Arun Bansil, distinguido profesor universitario de física en Northeastern y coautor del estudiar.

Como se relaciona, los investigadores del noreste han estado buscando una clase específica de catalizadores, a saber, los llamados "catalizadores de hierro coordinados con nitrógeno", como candidatos potencialmente sostenibles. Un catalizador de hierro coordinado con nitrógeno se define molecularmente como un átomo de hierro rodeado por cuatro átomos de nitrógeno. Los átomos de nitrógeno se llaman "ligandos", o moléculas que se unen a un átomo de metal central para formar un complejo más grande.

"Esta es una estructura bien conocida", dice Bansil. "Lo que hemos demostrado de manera muy concluyente en este artículo es que al agregar un quinto ligando, es decir, cuatro nitrógenos más otro, puede conducir a un electrocatalizador mucho más estable y robusto, lo que abre un nuevo paradigma o camino para el racional. diseño de esta clase de catalizadores para aplicaciones de pilas de combustible".

Bansil dice que el quinto ligando también mejora la durabilidad del catalizador. La razón, dice, es que "parece que este quinto ligando logra mantener el hierro en el plano del hierro-nitrógeno cuando se agrega oxígeno a esta estructura".

If the fifth ligand is not there, Bansil says, the iron is dislodged from the plane of the iron-nitrogen in many of these complexes when the oxygen is put in, thereby making the catalyst "less durable."

Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.

"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."

Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.

The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.

"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Explora más

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