Para hacer que las pilas de combustible sean más asequibles, los investigadores han pasado décadas buscando catalizadores de bajo costo para reemplazar el platino y otros metales costosos.

Esto incluye experimentar con diferentes combinaciones de tres materiales abundantes y relativamente baratos:hierro, nitrógeno y carbono. Los resultados hasta ahora han sido desiguales. Los investigadores pueden hacer que el catalizador de hierro, nitrógeno y carbono sea duradero o eficiente, pero no ambas cosas.

Un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Buffalo puede ofrecer una solución. En la revista Nature Catalysis , los investigadores informan cómo la adición de hidrógeno al proceso de fabricación crea un catalizador fuerte y eficaz que se acerca al rendimiento del platino.

El avance sugiere un paso importante para ayudar a que la tecnología de pilas de combustible alcance su potencial como proveedor de electricidad libre de contaminación para automóviles, camiones, trenes, aviones y otros vehículos pesados.

"Durante años, la comunidad científica ha luchado por equilibrar esta compensación. Podemos fabricar productos de bajo costo que sean efectivos pero que se degraden con demasiada facilidad. O los hemos hecho muy estables, pero su rendimiento no podría igualar al platino. Con este trabajo, "Hemos dado un paso hacia la solución de este problema", afirma el autor correspondiente del estudio, Gang Wu, Ph.D., profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.

El trabajo se basa en investigaciones anteriores dirigidas por Wu que describieron catalizadores de hierro, nitrógeno y carbono que, si bien eran duraderos, luchaban por acelerar reacciones químicas importantes dentro de las pilas de combustible.

El nuevo estudio abordó esta limitación durante un proceso de fabricación llamado pirólisis, que implica el uso de temperaturas extremadamente altas para combinar materiales.

Durante la pirólisis, los investigadores unieron cuatro átomos de nitrógeno al hierro en una cámara de alta temperatura. Luego incorporaron este material en algunas capas de grafeno, que es una forma de carbono resistente, ligera y flexible.

Generalmente este proceso ocurre dentro de una cámara que contiene un gas inerte, como el argón. Sin embargo, esta vez los investigadores introdujeron hidrógeno en la cámara para crear una mezcla de 90 % de argón y 10 % de hidrógeno.

Como resultado, los investigadores pudieron controlar con mayor precisión la composición del catalizador. Específicamente, pudieron colocar dos compuestos diferentes de hierro, nitrógeno y carbono (uno contenía 10 átomos de carbono y el otro contenía 12 átomos de carbono) en posiciones que respaldaban la durabilidad y la eficiencia.

El catalizador resultante alcanzó el rendimiento inicial de la pila de combustible mucho más allá del objetivo del Departamento de Energía para 2025. También demostró ser más duradero que la mayoría de los catalizadores de hierro, nitrógeno y carbono, acercándose al típico cátodo bajo en platino utilizado para las pilas de combustible.

Más información: El ajuste de la atmósfera de activación térmica rompe el equilibrio entre actividad y estabilidad de los catalizadores de pilas de combustible con reducción de oxígeno Fe-N-C. Catálisis de la naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01062-8

Información de la revista: Catálisis de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Buffalo