Los avances en la tecnología de las pilas de combustible se han visto obstaculizados por la insuficiencia de los metales estudiados como catalizadores. El inconveniente del platino, aparte del costo, es que absorbe monóxido de carbono en reacciones que involucran pilas de combustible alimentadas por materiales orgánicos como el ácido fórmico. Un metal probado más recientemente, paladio, se descompone con el tiempo.

Ahora, los químicos de la Universidad de Brown han creado una nanopartícula metálica de triple cabeza que, según dicen, supera a todas las demás en el extremo del ánodo en reacciones de células de combustible de ácido fórmico. En un artículo publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , los investigadores informan sobre una nanopartícula de hierro-platino-oro de 4 nanómetros (FePtAu), con estructura de cristal tetragonal, genera una corriente más alta por unidad de masa que cualquier otro catalizador de nanopartículas probado. Es más, la nanopartícula trimetálica de Brown funciona casi tan bien después de 13 horas como al principio. Por el contrario, otro conjunto de nanopartículas probado en condiciones idénticas perdió casi el 90 por ciento de su rendimiento en solo una cuarta parte del tiempo.

"Hemos desarrollado un catalizador de pila de combustible de ácido fórmico que es el mejor que se ha creado y probado hasta ahora, "dijo Shouheng Sun, profesor de química en Brown y autor correspondiente del artículo. "Tiene buena durabilidad y buena actividad".

El oro juega un papel clave en la reacción. Primero, actúa como una especie de organizador comunitario, conduciendo a los átomos de hierro y platino en orden, Capas uniformes dentro de la nanopartícula. Los átomos de oro luego salen del escenario, unión a la superficie exterior del ensamblaje de nanopartículas. El oro es eficaz para ordenar los átomos de hierro y platino porque los átomos de oro crean espacio extra dentro de la esfera de nanopartículas al principio. Cuando los átomos de oro se difunden del espacio al calentarse, crean más espacio para que los átomos de hierro y platino se ensamblen. El oro crea la cristalización que los químicos quieren en el ensamblaje de nanopartículas a una temperatura más baja.

El oro también elimina el monóxido de carbono (CO) de la reacción catalizando su oxidación. Monóxido de carbono, además de ser peligroso para respirar, se une bien a los átomos de hierro y platino, engullendo la reacción. Básicamente eliminándolo de la reacción, el oro mejora el rendimiento del catalizador de hierro-platino. El equipo decidió probar el oro después de leer en la literatura que las nanopartículas de oro eran efectivas para oxidar el monóxido de carbono, tan efectivo, De hecho, que las nanopartículas de oro se habían incorporado a los cascos de los bomberos japoneses. En efecto, Las nanopartículas metálicas de tres cabezas del equipo de Brown funcionaron igual de bien para eliminar el CO en la oxidación del ácido fórmico, aunque no está claro específicamente por qué.

Los autores también destacan la importancia de crear una estructura cristalina ordenada para el catalizador de nanopartículas. El oro ayuda a los investigadores a obtener una estructura cristalina llamada "tetragonal centrada en la cara, "una forma de cuatro lados en la que los átomos de hierro y platino esencialmente se ven obligados a ocupar posiciones específicas en la estructura, creando más orden. Al imponer el orden atómico, las capas de hierro y platino se unen más fuertemente a la estructura, haciendo así el montaje más estable y duradero, esencial para catalizadores de mejor rendimiento y mayor duración.

En experimentos, el catalizador FePtAu alcanzó 2809,9 mA / mg Pt (actividad de masa, o corriente generada por miligramo de platino), "que es el más alto entre todos los catalizadores NP (nanopartículas) jamás reportados, "escriben los investigadores de Brown. Después de 13 horas, la nanopartícula de FePtAu tiene una actividad de masa de 2600mA / mg Pt, o el 93 por ciento de su valor de rendimiento original. En comparación, los científicos escriben, la bien recibida nanopartícula de platino-bismuto tiene una actividad de masa de aproximadamente 1720 mA / mg de Pt en experimentos idénticos, y es cuatro veces menos activo cuando se mide su durabilidad.

Los investigadores señalan que se pueden sustituir otros metales por oro en el catalizador de nanopartículas para mejorar el rendimiento y la durabilidad del catalizador.

"Esta comunicación presenta una nueva estrategia de control de estructura para ajustar y optimizar la catálisis de nanopartículas para oxidaciones de combustibles, "escriben los investigadores.

Sen Zhang, un estudiante de tercer año en el laboratorio de Sun, ayudó con el diseño y la síntesis de nanopartículas. Shaojun Guo, un becario postdoctoral en el laboratorio de Sun realizó experimentos de oxidación electroquímica. Huiyuan Zhu, un estudiante de posgrado de segundo año en el laboratorio de Sun, sintetizó las nanopartículas de FePt y realizó experimentos de control. El otro autor colaborador es Dong Su del Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que analizó la estructura del catalizador de nanopartículas utilizando las instalaciones de microscopía electrónica avanzada allí.