Dado que las fuentes renovables como la eólica y la solar están cambiando rápidamente el panorama energético, Los científicos están buscando formas de almacenar mejor la energía para cuando sea necesaria. Celdas de combustible, que convierten la energía química en energía eléctrica, son una posible solución para el almacenamiento de energía a largo plazo, y algún día podría usarse para impulsar camiones y automóviles sin quemar combustible. Pero antes de que las pilas de combustible se puedan utilizar ampliamente, Los químicos y los ingenieros deben encontrar formas de hacer que esta tecnología sea más rentable y estable.

Un nuevo estudio del laboratorio de Penn Integrates Knowledge, profesor Christopher Murray, dirigido por la estudiante de posgrado Jennifer Lee, muestra cómo se pueden utilizar nanomateriales diseñados a medida para abordar estos desafíos. En Interfaces y materiales aplicados ACS , los investigadores muestran cómo se puede construir una pila de combustible a partir de metales más ampliamente disponibles utilizando un diseño de nivel atómico que también le da al material estabilidad a largo plazo. Antiguo postdoctorado Davit Jishkariani y exalumnos Yingrui Zhao y Stan Najmr, estudiante actual Daniel Rosen, y los profesores James Kikkawa y Eric Stach, también contribuyó a este trabajo.

La reacción química que alimenta una pila de combustible se basa en dos electrodos, un ánodo negativo y un cátodo positivo, separados por un electrolito, una sustancia que permite que los iones se muevan. Cuando el combustible entra en el ánodo, un catalizador separa moléculas en protones y electrones, con este último viajando hacia el cátodo y creando una corriente eléctrica.

Los catalizadores suelen estar hechos de metales preciosos, como platino, pero debido a que las reacciones químicas solo ocurren en la superficie del material, los átomos que no se presentan en la superficie del material se desperdician. También es importante que los catalizadores se mantengan estables durante meses y años porque las pilas de combustible son muy difíciles de reemplazar.

Los químicos pueden abordar estos dos problemas diseñando nanomateriales personalizados que tengan platino en la superficie mientras usan metales más comunes. como el cobalto, en la mayor parte para proporcionar estabilidad. El grupo Murray sobresale en la creación de nanomateriales bien controlados, conocidos como nanocristales, en el que pueden controlar el tamaño, forma, y composición de cualquier nanomaterial compuesto.

En este estudio, Lee se centró en el catalizador del cátodo de un tipo específico de pila de combustible conocida como pila de combustible de membrana de intercambio de protones. "El cátodo es un problema mayor, porque los materiales son platino o a base de platino, que son costosos y tienen velocidades de reacción más lentas, ", dice." El diseño del catalizador para el cátodo es el objetivo principal del diseño de una buena pila de combustible ".

El reto, explica Jishkariani, Fue en la creación de un cátodo en el que los átomos de platino y cobalto se formarían en una estructura estable. "Sabemos que el cobalto y el platino se mezclan bien; sin embargo, si haces aleaciones de estos dos, ha agregado átomos de platino y cobalto en un orden aleatorio, ", dice. Agregar más cobalto en un orden aleatorio hace que se filtre hacia el electrodo, lo que significa que la pila de combustible solo funcionará durante un breve período de tiempo.

Para resolver este problema, Los investigadores diseñaron un catalizador hecho de capas de platino y cobalto conocido como fase intermetálica. Controlando exactamente dónde se sentó cada átomo en el catalizador y bloqueando la estructura en su lugar, el catalizador de cátodo pudo funcionar durante períodos más largos que cuando los átomos se dispusieron al azar. Como hallazgo inesperado adicional, los investigadores encontraron que agregar más cobalto al sistema conducía a una mayor eficiencia, con una proporción de 1 a 1 de platino a cobalto, mejor que muchas otras estructuras con una amplia gama de relaciones de platino a cobalto.

El siguiente paso será probar y evaluar el material intermetálico en los conjuntos de pilas de combustible para realizar comparaciones directas con los sistemas disponibles comercialmente. El grupo Murray también trabajará en nuevas formas de crear la estructura intermetálica sin altas temperaturas y verá si la adición de átomos adicionales mejora el rendimiento del catalizador.

Este trabajo requirió imágenes microscópicas de alta resolución, trabajo que Lee hizo anteriormente en Brookhaven National Lab, pero, gracias a adquisiciones recientes, ahora se puede hacer en Penn en el Centro Singh de Nanotecnología. "Muchos de los experimentos de alto nivel a los que hubiéramos tenido que viajar por todo el país, a veces en todo el mundo, ahora podemos hacer mucho más cerca de casa, ", dice Murray." Los avances que hemos traído en microscopía electrónica y dispersión de rayos X son una adición fantástica para las personas que trabajan en estudios catalíticos y de conversión de energía ".

Lee también experimentó de primera mano cómo la investigación química se conecta directamente con los desafíos del mundo real. Recientemente presentó este trabajo en la conferencia del Instituto Internacional de Metales Preciosos y dice que conocer a miembros de la comunidad de metales preciosos fue esclarecedor. "Hay empresas que estudian la tecnología de pilas de combustible y hablan sobre el diseño más nuevo de los coches de pilas de combustible, ", dice." Tienes la oportunidad de interactuar con personas que piensan en tu proyecto desde diferentes perspectivas ".

Murray ve esta investigación fundamental como un punto de partida hacia la implementación comercial y la aplicación en el mundo real, enfatizando que el progreso futuro se basa en la investigación prospectiva que está ocurriendo ahora. "Pensando en un mundo en el que hemos desplazado muchos de los insumos tradicionales basados ​​en combustibles fósiles, si podemos descubrir esta interconversión de energía eléctrica y química, que abordará un par de problemas muy importantes simultáneamente ".