Tan importante como ha sido el motor de combustión interna para el progreso social, también es un importante contribuyente a la contaminación que daña la salud humana y las emisiones de carbono que ayudan a impulsar la crisis climática. Cerca del 30 % de las emisiones de carbono de EE. UU. provienen del transporte, y el 95 % del transporte utiliza combustibles fósiles.

Un elemento de un remedio potencial sería impulsar vehículos con celdas de combustible de hidrógeno, que emiten solo vapor de agua. Sin embargo, esta solución de sostenibilidad tiene un aspecto irónico incorporado que es insostenible:los catalizadores necesarios para extraer energía del hidrógeno involucran metales raros y costosos como el platino. En las cantidades utilizadas para la tecnología actual, la adopción generalizada requeriría cantidades de estos metales más allá de lo que la humanidad puede obtener.

Un estudio reciente en Nanotecnología de la Naturaleza dirigido por un profesor de UCLA puede representar un punto de inflexión. Los investigadores informaron sobre un enfoque que les permitió cumplir y superar objetivos ambiciosos de alto rendimiento del catalizador, alta estabilidad y bajo uso de platino establecidos por el Departamento de Energía. Su tecnología sin precedentes utilizó cristales minúsculos de una aleación de platino y cobalto, cada uno incrustado en un nanobolsillo hecho de grafeno, descrito como un material bidimensional porque comprende una capa de carbono de un átomo de espesor.

En comparación con los estrictos estándares del DOE para catalizadores (no cumplidos hasta ahora), la aleación envuelta en grafeno de los autores arrojó resultados extraordinarios:

• 75 veces más actividad catalítica
• 65 % más de potencia
• alrededor de un 20 % más de actividad catalítica al final previsto de la vida útil de la pila de combustible
• aproximadamente un 35 % menos de pérdida de energía después de una prueba que simula 6000 a 7000 horas de uso, superando el objetivo de 5000 horas por primera vez
• casi un 40 % menos de platino por vehículo

"Esto nunca se había hecho antes", dijo el autor correspondiente Yu Huang, profesor y presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA, y miembro del Instituto de Nanosistemas de California en la UCLA. "Este descubrimiento involucró algo de casualidad. Sabíamos que estábamos ante algo que podría estabilizar las partículas más pequeñas, pero no esperábamos que funcionara tan bien".

Hoy en día, la mitad del suministro global total de platino y metales similares se utiliza para los convertidores catalíticos de los vehículos que funcionan con combustibles fósiles, un componente que hace que sus emisiones sean menos nocivas. Se requieren entre 2 y 8 gramos de platino por vehículo. En comparación, la tecnología actual de pilas de combustible de hidrógeno utiliza alrededor de 36 gramos por vehículo.

Con la carga más baja de platino probada por Huang y su equipo, cada vehículo impulsado por hidrógeno necesitaría solo 6,8 gramos de platino.

Entonces, ¿cómo obtuvieron los investigadores más potencia con menos platino? Rompieron el catalizador a base de platino en partículas de un promedio de 3 nanómetros de largo. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro, y las nanopartículas eran tan pequeñas que se necesitarían más de 30 000 colocadas de extremo a extremo para abarcar el grosor de una sola hoja de papel. Partículas más pequeñas significan más área de superficie, y más área de superficie significa más espacio donde puede ocurrir actividad catalítica.

Sin embargo, hay una trampa que ha obstaculizado los intentos anteriores de obtener un mejor rendimiento mediante el uso de catalizadores de celdas de combustible de hidrógeno. Por sí solas, las partículas más pequeñas también son mucho menos duraderas, porque tienden a desprenderse de una superficie o a acumularse en partículas más grandes.

Huang y sus colegas abordaron esta limitación blindando sus partículas de catalizador en el material grafeno 2D. En comparación con el carbón a granel que se ve comúnmente en el carbón o la mina de lápiz, estas capas delgadas de carbón tienen capacidades sorprendentes, conducen la electricidad y el calor de manera eficiente y muestran una resistencia 100 veces mayor que la del acero con un espesor similar.

Su aleación de platino y cobalto se redujo a partículas. Antes de integrarse en una celda de combustible, las partículas estaban rodeadas por nanobolsillos de grafeno, que actuaban como una especie de ancla para evitar que las partículas migraran, algo necesario para el nivel de durabilidad necesario en los vehículos comerciales. Al mismo tiempo, el grafeno permitió un pequeño espacio, de aproximadamente 1 nanómetro, alrededor de cada nanopartícula de catalizador, lo que significaba que podían ocurrir reacciones electroquímicas clave.

"Es algo intuitivo", dijo Huang. "Si coloca un límite en la partícula que permite que la reacción continúe pero confina la partícula en ese lugar, resolverá el problema de la durabilidad que, sin embargo, es muy difícil de lograr a una escala tan pequeña".

Este último avance sigue a un estudio colaborativo reciente dirigido por Huang que produjo un modelo para predecir la actividad catalítica y la durabilidad de una aleación a base de platino que puede usarse para guiar el diseño de catalizadores, el primero de su tipo. Ella y su equipo están trabajando para traducir sus resultados experimentales en tecnología práctica que pueda llevarse al mercado y, con suerte, sumarse a los esfuerzos de energía verde y sustentabilidad. + Explora más

Posible paso hacia una energía basada en hidrógeno más económica:predicción del rendimiento de los catalizadores en las pilas de combustible