(Phys.org) —La búsqueda para aprovechar el hidrógeno como combustible de combustión limpia del futuro exige los catalizadores perfectos:máquinas a nanoescala que mejoran las reacciones químicas. Los científicos deben modificar las estructuras atómicas para lograr un equilibrio óptimo de reactividad, durabilidad, y síntesis a escala industrial. En una frontera de catálisis emergente, Los científicos también buscan nanopartículas tolerantes al monóxido de carbono, una impureza envenenada en hidrógeno derivada del gas natural. Este combustible impuro —40 por ciento menos costoso que el hidrógeno puro producido a partir del agua— permanece en gran parte sin explotar.

Ahora, científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en una investigación publicada en línea el 18 de septiembre, 2013 en la revista Comunicaciones de la naturaleza —He creado un nanocatalizador de alto rendimiento que cumple con todas estas demandas. La nueva estructura de núcleo-carcasa, rutenio recubierto de platino, resiste el daño del monóxido de carbono, ya que impulsa las reacciones energéticas centrales de las celdas de combustible de los vehículos eléctricos y tecnologías similares.

"Estas nanopartículas exhiben un orden atómico perfecto tanto en el rutenio como en el platino, Superar los defectos estructurales que previamente dañaban los catalizadores tolerantes al monóxido de carbono. ", dijo el coautor del estudio y químico del laboratorio de Brookhaven, Jia Wang. método de síntesis 'verde', según lo revelado por técnicas de imágenes a escala atómica, abre nuevas y emocionantes posibilidades para la catálisis y la sostenibilidad ".

Fabricando cristales con perfección atómica

Los catalizadores dentro de las celdas de combustible liberan la energía intrínseca de las moléculas de hidrógeno y la convierten en electricidad. El platino funciona excepcionalmente bien con combustible de hidrógeno puro, pero el alto costo y la rareza del metal impiden su despliegue generalizado. Al recubrir metales menos costosos con capas delgadas de átomos de platino, sin embargo, los científicos pueden mantener la reactividad mientras reducen los costos y crean estructuras de núcleo-capa con parámetros de rendimiento superiores.

Las impurezas de monóxido de carbono en el hidrógeno formado a partir del gas natural presentan otro desafío para los científicos porque desactivan la mayoría de los catalizadores de platino. El rutenio, menos costoso que el platino, promueve la tolerancia al monóxido de carbono, pero es más propenso a disolverse durante el encendido / apagado de las celdas de combustible, causando un deterioro gradual del rendimiento.

"Nos propusimos proteger los núcleos de rutenio de la disolución con capas completas de platino de solo uno o dos átomos de espesor, "Wang dijo." Estudios científicos de superficie anteriores revelaron una variación notable de las propiedades de la superficie en esta configuración de núcleo-capa, sugiriendo la necesidad y la oportunidad de perfeccionar la receta con un control preciso ".

Existían dudas sobre si un núcleo de rutenio altamente ordenado era posible incluso con una capa de platino; las nanopartículas sintetizadas previamente exhibían una estructura cristalina debilitada en el rutenio.

"Afortunadamente, Descubrimos que la pérdida de estructura de rutenio se debió a la difusión entre capas mediada por defectos, que es evitable, "Dijo Wang." Al eliminar cualquier defecto de celosía en las nanopartículas de rutenio antes de agregar platino, conservamos lo crucial, estructura atómica discreta de cada elemento ".

El método de síntesis escalable y económico utiliza etanol, un solvente común y económico, como reductor para fabricar el núcleo y la cubierta de nanopartículas. El sofisticado proceso no requiere otros agentes orgánicos o plantillas metálicas.

"Simplemente ajustando la temperatura, agua, y la acidez de las soluciones nos dio un control completo sobre el proceso y produjo un tamaño de nanopartícula de rutenio notablemente consistente y un recubrimiento uniforme de platino, "dijo el químico de Brookhaven Lab, Radoslav Adzic, otro coautor del estudio. "Esta simplicidad ofrece una alta reproducibilidad y escalabilidad, y demuestra el claro potencial comercial de nuestro método ".

Caracterización núcleo-capa

"Llevamos los catalizadores completos a otras instalaciones aquí en el laboratorio para revelar los detalles exactos de la estructura atómica, ", Dijo Wang." Este tipo de colaboración rápida sólo es posible cuando se trabaja junto a expertos e instrumentos de clase mundial ".

Los científicos de la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven Lab (NSLS) revelaron la densidad atómica, distribución, y uniformidad de los metales en los nanocatalizadores mediante una técnica llamada difracción de rayos X, donde la luz de alta frecuencia se dispersa y se dobla después de interactuar con átomos individuales. La colaboración también utilizó un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven para identificar los diferentes patrones atómicos subnanométricos. Con este instrumento, un haz de electrones enfocado bombardeó las partículas, creando un mapa de las estructuras del núcleo y del caparazón.

"Descubrimos que los elementos no se mezclaban en el límite núcleo-capa, que es un paso crítico, "dijo el físico de CFN Dong Su, coautor y especialista en STEM. "El orden atómico en cada elemento, junto con los modelos teóricos adecuados, nos cuenta cómo y por qué el nuevo nanocatalizador hace su magia ".

La determinación de la configuración funcional ideal para el núcleo y el caparazón también requirió el uso de la experiencia de CFN en ciencia computacional. Con cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), la computadora ayuda a identificar la estructura de platino-rutenio más estable energéticamente.

"El análisis DFT conecta los puntos entre rendimiento y configuración, y corrobora nuestras observaciones directas de difracción de rayos X y microscopía electrónica, "Dijo Adzic.

Descubrimiento para implementación

Ballard Power Systems, una empresa dedicada a la producción de pilas de combustible, evaluó de forma independiente el rendimiento de los nuevos nanocatalizadores núcleo-capa. Más allá de probar la alta actividad de los catalizadores con bajo contenido de platino en hidrógeno puro, Ballard observó específicamente la resistencia al monóxido de carbono presente en el gas hidrógeno impuro y la resistencia a la disolución durante los ciclos de arranque / apagado. El nanocatalizador bicapa exhibió una alta durabilidad y una mayor tolerancia al monóxido de carbono; la combinación permite el uso de hidrógeno impuro sin mucha pérdida de eficiencia o aumento en el costo del catalizador.

El nanocatalizador también se desempeñó bien en la producción de gas hidrógeno a través de la reacción de desprendimiento de hidrógeno, dando lugar a otra asociación industrial. Protón en el sitio, una empresa especializada en la división del hidrógeno del agua y otros procesos similares, ha completado las pruebas de viabilidad para implementar la tecnología en su producción de electrolizadores de agua, que ahora requerirá aproximadamente un 98 por ciento menos de platino.

"Los electrolizadores de agua ya están en el mercado, para que este nanocatalizador se pueda implementar rápidamente ", Dijo Wang." Cuando los vehículos de pila de combustible de hidrógeno se lancen en los próximos años, esta nueva estructura puede acelerar el desarrollo al reducir los costos tanto de los catalizadores metálicos como del combustible ".