El vehículo eléctrico Toyota Mirai 2019 promociona cero emisiones, gracias a una pila de combustible que funciona con hidrógeno en lugar de gasolina. Pero el Mirai apenas ha salido de California, en parte porque los electrodos de pila de combustible actuales están hechos de platino super caro.

Reducir el platino también reduciría los costos, permitiendo que más coches eléctricos lleguen al mercado.

Un nuevo método toma prestado algunas ideas de "Ricitos de oro" - la cantidad justa - para evaluar la cantidad de metal que se necesitaría para los electrodos de las pilas de combustible. La técnica utiliza las fuerzas sobre la superficie de un metal para identificar el grosor ideal del electrodo.

"Existe exactamente la cantidad correcta de metal que le dará a los electrodos de celdas de combustible las mejores propiedades, "dijo Jeffrey Greeley, profesor de ingeniería química en Purdue. "Si son demasiado gruesos o demasiado delgados, la reacción principal para desplegar una pila de combustible no funciona tan bien, así que aquí hay una especie de principio Ricitos de oro ".

El estudio, que se publicará en la edición del 22 de febrero de la revista Ciencias , fue un esfuerzo de colaboración entre la Universidad Johns Hopkins, Universidad de Purdue y la Universidad de California en Irvine.

Los investigadores probaron su teoría en paladio, un metal muy parecido al platino.

"Básicamente, estamos usando la fuerza para ajustar las propiedades de las láminas de metal delgadas que forman los electrocatalizadores, que forman parte de los electrodos de las pilas de combustible, Greeley dijo. "El objetivo final es probar este método en una variedad de metales".

Las pilas de combustible convierten el hidrógeno, combinado con algo de oxígeno, en electricidad a través de la llamada reacción de reducción de oxígeno que inicia un electrocatalizador. Encontrar exactamente el grosor correcto tensiona la superficie del electrocatalizador y mejora qué tan bien realiza esta reacción.

En el pasado, los investigadores han intentado utilizar fuerzas externas para expandir o comprimir la superficie de un electrocatalizador, pero hacerlo corría el riesgo de hacer que el electrocatalizador fuera menos estable.

En lugar de, El grupo de Greeley predijo mediante simulaciones por computadora que la fuerza inherente en la superficie de un electrocatalizador de paladio podría manipularse para obtener las mejores propiedades posibles.

Según las simulaciones, un electrocatalizador de cinco capas de espesor, cada capa tan delgada como un átomo, sería suficiente para optimizar el rendimiento.

"No luches contra las fuerzas, usalos, usalos a ellos, "dijo Zhenhua Zeng, un investigador postdoctoral de Purdue en ingeniería química, y coautor y coautor correspondiente de este artículo. "Esto es algo así como algunas estructuras en arquitectura que no necesitan vigas o columnas externas porque las fuerzas de tensión y compresión están distribuidas y equilibradas".

Los experimentos en el laboratorio de Chao Wang en Johns Hopkins confirmaron las predicciones de la simulación, encontrar que el método puede aumentar la actividad del catalizador de 10 a 50 veces, utilizando un 90 por ciento menos de metal que el que se utiliza actualmente en los electrodos de las pilas de combustible.

Esto se debe a que la fuerza de la superficie sobre los electrodos atómicamente delgados ajusta la tensión, o distancia entre átomos, de las láminas de metal, alterando sus propiedades catalíticas.

"Al ajustar el grosor del material, pudimos crear más tensión. Esto significa que tiene más libertad para acelerar la reacción que desea en la superficie del material, "Dijo Wang.