Las pilas de combustible tienen el potencial de ser una forma limpia y eficiente de hacer funcionar los coches. ordenadores, y centrales eléctricas, pero el costo de producirlos limita su uso. Esto se debe a que un componente clave de las pilas de combustible más comunes es un catalizador fabricado con platino, un metal precioso.

En un artículo publicado hoy en Pequeña , investigadores de la Universidad de California, Orilla, describir el desarrollo de un económico, material catalizador eficiente para un tipo de pila de combustible llamada pila de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEMFC), que convierte la energía química del hidrógeno en electricidad y se encuentra entre los tipos de pilas de combustible más prometedores para impulsar automóviles y productos electrónicos.

El catalizador desarrollado en UCR está hecho de nanofibras de carbono porosas incrustadas con un compuesto hecho de un metal relativamente abundante como el cobalto, que es más de 100 veces menos costoso que el platino. La investigación fue dirigida por David Kisailus, el Profesor Winston Chung en Innovación Energética en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns de la UCR.

Celdas de combustible, que ya están siendo utilizados por algunos fabricantes de automóviles, ofrecen ventajas sobre las tecnologías de combustión convencionales, incluida una mayor eficiencia, funcionamiento más silencioso y emisiones más bajas. Las pilas de combustible de hidrógeno solo emiten agua.

Como baterías Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que comprenden un electrodo positivo y negativo que intercala un electrolito. Cuando se inyecta un combustible de hidrógeno en el ánodo, un catalizador separa las moléculas de hidrógeno en partículas cargadas positivamente llamadas protones y partículas cargadas negativamente llamadas electrones. Los electrones se dirigen a través de un circuito externo, donde hacen un trabajo útil, como accionar un motor eléctrico, antes de reunirse con los iones de hidrógeno cargados positivamente y el oxígeno para formar agua.

Una barrera crítica para la adopción de celdas de combustible es el costo del platino, haciendo del desarrollo de materiales catalizadores alternativos un factor clave para su implementación masiva.

Usando una técnica llamada electrohilado, Los investigadores de la UCR fabricaron láminas delgadas como papel de nanofibras de carbono que contenían iones metálicos, ya sea cobalto, hierro o níquel. Al calentar, los iones formaron nanopartículas metálicas ultrafinas que catalizaron la transformación del carbono en un carbono grafítico de alto rendimiento. Después, las nanopartículas metálicas y el carbono no grafítico residual se oxidaron, dando lugar a una red muy porosa y útil de nanopartículas de óxido metálico dispersas en una red porosa de grafito.

Kisailus y su equipo, colaborando con científicos de la Universidad de Stanford, determinó que los nuevos materiales se desempeñaron tan bien como los sistemas estándar de platino-carbono de la industria, pero a una fracción del costo.

"La clave del alto rendimiento de los materiales que creamos es la combinación de la química y las condiciones de procesamiento de la fibra, ", Dijo Kisailus." Las notables propiedades electroquímicas se atribuyeron principalmente a los efectos sinérgicos obtenidos de la ingeniería del óxido metálico con sitios activos expuestos y la estructura grafítica porosa jerárquica 3D ".

Kisailus dijo que un beneficio adicional del nanocompuesto catalítico era que su naturaleza de fibra de grafito proporcionaba resistencia y durabilidad adicionales. lo que le permitiría servir como catalizador de pila de combustible y potencialmente como componente estructural.

"Un desafío importante en la fabricación de vehículos de alto rendimiento es reducir el peso, tanto del cuerpo del vehículo como del peso extra de la batería o pila de combustible, sin afectar la seguridad o el rendimiento, ", dijo." El material que creamos puede permitir a los fabricantes de automóviles convertir componentes estructurales, como el capó o el chasis, en elementos funcionales que ayudan a impulsar los automóviles ".