Las celdas de combustible, debido a su alta eficiencia y sus atributos ecológicos en el proceso de generación de electricidad, están ganando popularidad para la producción de vehículos de celdas de combustible (FCV), como automóviles, montacargas, autobuses y aviones. Sin embargo, la naturaleza costosa de producir catalizadores de celdas de combustible impide la producción en masa y la aplicación a gran escala de FCV.

Los catalizadores de celdas de combustible generalmente están hechos de platino (Pt) o aleaciones de Pt con metales de transición finamente revestidos sobre los soportes de carbono poroso. El platino es un material catalítico ideal, ya que puede resistir las condiciones ácidas y aumentar la velocidad de las reacciones químicas de manera eficiente. Sin embargo, es caro y tiene reservas de recursos insuficientes. Por lo tanto, es imperativo desarrollar y seleccionar nuevos catalizadores con baja cantidad de Pt y alta actividad catalítica para la comercialización de pilas de combustible.

En una Ciencia En un artículo publicado el 22 de octubre, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China (CAS) informaron sobre un método de anclaje de azufre de nanopartículas intermetálicas de Pt de pequeño tamaño sintetizadas con éxito a alta temperatura (i -NP) catalizadores con carga ultrabaja de Pt y alta actividad de masa. También establecieron bibliotecas de i-NP, que incluyen 46 tipos de nanopartículas (NP) de platino para seleccionar materiales de electrodos económicos y duraderos, así como para explorar sistemáticamente las relaciones estructura-actividad de las i-NP.

Los I-NP han atraído una gran atención debido a sus propiedades únicas ordenadas atómicamente y su excelente rendimiento catalítico en muchas reacciones químicas. Sin embargo, la inevitable sinterización del metal a alta temperatura no es deseable durante la síntesis de i-NP, ya que dará lugar a cristalitos más grandes. Por lo tanto, da como resultado una disminución del área de superficie específica y una menor actividad catalítica de los materiales, y eventualmente reduce la tasa de utilización de Pt, lo que aumenta considerablemente el costo de las celdas de combustible.

El equipo de investigación, dirigido por Liang Haiwei, utilizó ingeniosamente una fuerte interacción química Pt-azufre. Prepararon intermetálicos de Pt sobre soportes de carbono dopado con azufre (S-C) para suprimir la sinterización de las NP a altas temperaturas, y pudieron obtener i-NP ordenadas atómicamente con un tamaño medio de <5 nm. Los soportes S-C mostraron una excelente capacidad anti-sinterización, y los investigadores obtuvieron NP de Pt con un diámetro promedio aún <5 nm después del recocido a altas temperaturas de hasta 1000 C. Sin embargo, se observó una sinterización severa de Pt después del mismo proceso de recocido en soportes comerciales de negro de carbón.

Para aprovechar la propiedad antisinterización, los investigadores sintetizaron 46 tipos de i-NP basados ​​en Pt de pequeño tamaño en soportes S-C y establecieron bibliotecas de i-NP. Se midieron las caracterizaciones espectrales y los resultados verificaron las fuertes interacciones químicas de los enlaces Pt-S. Además, los resultados de la difracción de rayos X (XRD) mostraron un alto grado de ordenación y un tamaño pequeño de los catalizadores i-NP en las bibliotecas, de acuerdo con el análisis estadístico de la microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) observaciones.

"Con base en las bibliotecas i-NP, podemos estudiar sistemáticamente la relación entre la estructura y el rendimiento de los catalizadores", dijo Liang, "y muestras suficientes nos ayudaron a seleccionar catalizadores eficientes que se esperaba que redujeran en gran medida el costo de las celdas de combustible". Los investigadores examinaron las i-NP y las aplicaron a las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC). Estos catalizadores exhibieron un excelente rendimiento electrocatalítico para la reacción de reducción de oxígeno (ORR). Especialmente en H₂ -aire PEMFC, aunque la carga de Pt de i-NP fue 11,5 veces menor que la del cátodo de Pt/C, los cátodos de los catalizadores de i-NP mostraron una capacidad similar a la del cátodo de Pt/C.

Este trabajo proporciona una forma universal para la síntesis de catalizadores de aleación de Pt utilizados en pilas de combustible de hidrógeno. Este método genera esperanzas de reducir la cantidad de Pt utilizada, disminuyendo así el costo de las celdas de combustible. "Al diseñar las estructuras porosas y las funcionalidades superficiales de los soportes de carbono, la eficiencia de las celdas de combustible se puede mejorar aún más, acelerando así su transferencia del laboratorio al público", dijo Liang.