Ternario Pt / Re / SnO 2 / C catalizador:a) mapa EDS que confirma la presencia de Pt (rojo), SnO 2 (azul) y Re (amarillo); yb) imagen de alta resolución HAADF STEM de alta resolución que confirma el contacto físico entre el Pt, Re y SnO 2 nanopartículas, obtenido mediante el uso de un microscopio electrónico de transmisión. La esquina superior derecha muestra un esquema de SnO 2 nanopartículas decoradas con nanopartículas metálicas de Pt y Re. Las flechas de trazos negros indican los lugares de contacto físico entre las nanopartículas individuales. Crédito:IFJ PAN
Los científicos que trabajan en el Departamento de Nanomateriales Funcionales del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia diseñaron y sintetizaron un ternario funcional Pt / Re / SnO 2 / C catalizador como material de ánodo en una pila de combustible de etanol directo. Fue posible sintetizando platino, Nanopartículas de renio y óxido de estaño de forma esférica y que aseguran el contacto físico entre ellas. Este hallazgo conducirá a la producción de más eficientes, catalizadores de pila de combustible más ecológicos y económicos.
Uno de los mayores desafíos que enfrenta la ciencia moderna en la actualidad es el desarrollo de nuevos tecnologías eficientes y respetuosas con el medio ambiente para convertir la energía química en electricidad. Las pilas de combustible de etanol se están convirtiendo en una fuente de energía alternativa. El etanol parece ser el combustible ideal del futuro, porque, en comparación con el metanol o el hidrógeno, tiene una toxicidad significativamente menor, no plantea problemas ni amenazas en el almacenamiento y transporte, y también se puede obtener a partir de biomasa. Sin embargo, los catalizadores utilizados en las pilas de combustible de etanol directo (DEFC) no son suficientemente eficaces y producen principalmente subproductos en lugar del producto final de etanol esperado, como el dióxido de carbono. Estas sustancias se adsorben fuertemente en la superficie del platino, que es el catalizador más utilizado. Como resultado, bloquean los sitios catalíticamente activos evitando una nueva reacción, provocando así el llamado envenenamiento del catalizador y disminuyendo la eficacia global del dispositivo. Por lo tanto, el desafío clave es desarrollar el tipo apropiado de catalizadores.
Los catalizadores de platino y a base de platino se utilizan ampliamente en los DEFC. La adsorción de etanol ocurre en la superficie del platino, que desencadena su reacción de oxidación (Reacción de oxidación de etanol - EOR). Los problemas de envenenamiento se pueden resolver agregando otros componentes al platino, como el rodio metálico y los óxidos de estaño, que mejoran la eficiencia del EOR porque juegan un papel único e individual en la vía de oxidación del etanol. La función del rodio es dividir el enlace carbono-carbono en la molécula de etanol, mientras que el dióxido de estaño proporciona grupos hidroxilo para oxidar los intermedios y ayuda a desbloquear la superficie inactiva del platino. Además de rodio y estaño, elementos como Ru, Ir, Cu, Fe, Co, También se utilizan Ni y muchos otros. Un nanocatalizador ternario que contiene nanoaleaciones de platino y rodio depositadas sobre óxido de estaño, que actualmente se considera una de las configuraciones más eficientes y selectivas en la reacción de oxidación del etanol, también ha sido ampliamente estudiado. También se sugiere que el contacto físico entre nanopartículas juega un papel crucial.
Científicos del Departamento de Nanomateriales Funcionales del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia, dirigido por el Prof. Eng. Magdalena Parlinska-Wojtan, emprendió la tarea de diseñar y sintetizar un nuevo material, que podría desempeñar el papel de un catalizador de ánodo. Para este propósito, decidieron analizar el efecto del renio, utilizado como uno de los tres componentes del catalizador, sobre la mejora de la eficiencia del EOR. Es más, Los investigadores asumieron que al usar interacciones intermoleculares y mediciones de potencial electrocinético, sería posible ensamblar el Pt sintetizado por separado, Re y SnO 2 nanopartículas en combinaciones dobles y triples para asegurar su contacto físico. Este ensamblaje es posible debido a los valores opuestos del potencial electrocinético de cada tipo de nanopartículas. Mientras realiza estudios de estabilidad, los investigadores también se centraron en la durabilidad del catalizador porque la degradación de los componentes del nanocatalizador es un factor importante que limita la estabilidad y comercialización de los catalizadores.
"En la primera etapa de nuestro trabajo, optimizamos los procesos para la obtención de nanopartículas individuales:platino, renio y óxido de estaño, que estaban destinados a ser los componentes de un catalizador de ánodo, "dice la Dra. Ing. Elzbieta Drzymala de IFJ PAN, el autor principal de la publicación científica, describiendo los detalles de los estudios realizados. "Luego, utilizando interacciones intermoleculares, juntamos nanopartículas sintetizadas individualmente para asegurar el contacto físico entre ellas. De este modo, obtuvimos combinaciones de nanopartículas binarias y ternarias, que luego se depositaron sobre sustratos de carbono con una distribución uniforme para proporcionar a las moléculas de etanol el mejor acceso a las superficies activas. El siguiente paso fue estudiar las propiedades electroquímicas de combinaciones binarias y ternarias seleccionadas, dado su uso potencial como material anódico en pilas de combustible de etanol. Finalmente, comparamos los resultados de nuestro trabajo con un catalizador de platino comercial ".
Los resultados obtenidos resultaron ser muy importantes y motivaron una mayor investigación sobre este tipo de materiales. El catalizador desarrollado por el grupo IFJ PAN hecho de Pt, Re y SnO 2 Las nanopartículas se pueden utilizar con éxito como catalizador de ánodo en DEFC. Los análisis realizados con microscopía electrónica de transmisión (TEM) en combinación con espectroscopía EDS confirmaron el contacto físico entre las nanopartículas que forman el ternario Pt / Re / SnO 2 / C catalizador (ver figura). Se ha probado experimentalmente mediante técnicas voltamétricas que este catalizador ternario exhibe una actividad diez veces mayor en la reacción de oxidación del etanol en comparación con un catalizador comercial de platino. Además, se ha demostrado que el Pt / Re / SnO 2 El catalizador / C presenta la mejor estabilidad:después de la prueba, Conservó casi el 96% de la superficie electroquímicamente activa (en comparación con el 12% del catalizador comercial). También es importante que el catalizador ternario muestre el valor más bajo de potencial de inicio:el valor del potencial de oxidación inicial es casi 0,3 V menor en comparación con un catalizador de platino comercial. Por lo tanto, el uso de renio como tercer componente y la conexión de nanopartículas de tal manera que permanezcan en contacto físico generó el efecto deseado de mejorar la eficiencia del EOR.
"Nuestra investigación adicional continuará centrándose en los catalizadores de pilas de combustible, "explica el Dr. Ing. Drzymala." Sin embargo, yendo un paso más allá, nos gustaría resolver los problemas económicos y desarrollar un sistema catalítico con propiedades mejores o al menos comparables pero sin la adición de platino. Creo que el uso de nanopartículas sin platino decoradas con pequeños SnO de 2 nanómetros 2 las nanopartículas como componentes de dicho catalizador nos acercarán a la creación de un material completamente funcional para el ánodo de la pila de combustible. Espero que el catalizador sin platino se sintetice pronto en el Departamento de Nanomateriales Funcionales del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia ".
