Para abordar esto, los investigadores estudiaron los mecanismos de oxidación de la superficie de Pt en medios alcalinos, una vía de investigación previamente inexplorada. Sus experimentos revelaron conocimientos cruciales que pueden ayudar en el desarrollo de catalizadores de próxima generación, allanando el camino hacia una sociedad neutra en carbono. Los hallazgos se publican en el Journal of the American Chemical Society. .

La búsqueda de la neutralidad de carbono impulsa la exploración de fuentes de energía limpia, y las pilas de combustible de hidrógeno emergen como una vía prometedora. En estas células, el hidrógeno sufre una reacción electroquímica con el oxígeno para producir electricidad y agua. Además, el proceso inverso, llamado electrólisis, se puede utilizar para dividir el abundante agua disponible para producir hidrógeno y oxígeno.

Estas dos tecnologías pueden funcionar en conjunto para proporcionar una fuente de energía limpia y renovable. Un elemento fundamental en estas dos tecnologías es el electrodo de platino (Pt).

Las pilas de combustible de hidrógeno constan de dos electrodos:un ánodo y un cátodo, con un electrolito entre ellos. El Pt sirve como catalizador fundamental en pilas de combustible de baja temperatura, como las pilas de combustible alcalinas y las pilas de combustible de electrolitos poliméricos (PEFC). El Pt tiene una alta actividad para la reacción de reducción de oxígeno (ORR), que es crucial para las pilas de combustible, en condiciones alcalinas y ácidas con el voltaje de funcionamiento de los cátodos PEFC.

Sin embargo, esto también conduce a la formación de óxido en la superficie, que vuelve áspera y disuelve la capa de Pt, degradando en última instancia los cátodos y afectando el rendimiento y la estabilidad. Por lo tanto, comprender los mecanismos de formación de óxido superficial es crucial para desarrollar catalizadores catódicos de Pt que funcionen bien en condiciones alcalinas.

Los estudios han demostrado que la formación de óxido en la superficie del Pt depende del potencial del electrodo, del electrolito y de la doble capa eléctrica (EDL). Si bien los estudios han investigado la formación y reducción de óxido en la superficie del Pt en medios ácidos, pocos de ellos han abordado lo mismo en medios alcalinos, presentes en pilas de combustible y electrolizadores con membranas de intercambio aniónico.

Para abordar esta brecha, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Masashi Nakamura de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba (Japón) profundizó en los mecanismos de formación de óxido en superficies de Pt en medios alcalinos.

"En un estudio anterior, informamos que los iones hidrófobos interfaciales con largas cadenas de alquilo pueden mejorar la ORR. Esto sugiere que es posible construir un campo de reacción interfacial que no solo active la ORR sino que también mejore la durabilidad de los electrodos de Pt mediante el uso de una interfacial óptima. iones", explica el profesor Nakamura.

El estudio también incluyó contribuciones del Dr. Tomoaki Kumeda y el Profesor Nagahiro Hoshi, ambos de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba, junto con el Dr. Osami Sakata del Centro de Investigación de Radiación Sincrotrón del Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón.

El equipo investigó la formación de óxido en la superficie de Pt (111) en soluciones acuosas alcalinas que contienen diferentes cationes, concretamente el catión de litio (Li ⁺ ), potasio (K ⁺ ) catión y catión tetrametilamonio (TMA ⁺ ), utilizando métodos avanzados como la dispersión de varillas de truncamiento de cristales de rayos X (CTR), la espectroscopia Raman de superficie mejorada basada en nanopartículas de oro (GNP-SERS) y la espectroscopia de absorción por reflexión infrarroja (IRAS).

"Los estudios han demostrado que una combinación de espectroscopia vibratoria y difracción de rayos X es eficaz para dilucidar los procesos de oxidación de superficies", añade el profesor Nakamura.

La CTR de rayos X reveló que la formación de óxido produce pandeo de la superficie y extracción de Pt. Las mediciones SERS e IRAS revelaron la formación potencial y dependiente de cationes de tres especies de óxidos, a saber, el hidróxido adsorbido activo en infrarrojos (IR) OH (OH_ad ), agua absorbida activa Raman (H₂ O)_anuncio y oxígeno activo Raman (O_ad ).

El equipo descubrió que los cationes hidrófilos como Li ⁺ estabilizar el OH_ad activo por IR , evitando así la formación de óxidos nocivos, mientras que la hidrofilicidad moderada del K ⁺ no tiene ningún efecto protector. Curiosamente, cationes hidrofóbicos voluminosos como TMA ⁺ también reduce la oxidación irreversible, similar al Li ⁺ . En particular, el equipo también descubrió que la repulsión electrostática entre Raman-activo (H₂ O)_anuncio y el vecino O_ad activo en Raman facilita la extracción de Pt.

Estos resultados sugieren que los cationes interfaciales juegan un papel esencial en la formación de óxido en las superficies de Pt, que puede controlarse seleccionando los cationes apropiados. Al profundizar en estos resultados, el profesor Nakamura comenta:"Estos conocimientos son cruciales para comprender los mecanismos de oxidación de la superficie y la estructura EDL, lo que puede ser beneficioso para lograr electrocatalizadores de Pt estables y de alto rendimiento para su uso en dispositivos electroquímicos de próxima generación". /P>

En general, este estudio nos lleva un paso más allá para lograr un futuro sin emisiones de carbono impulsado por hidrógeno limpio y abundante.