Existe una necesidad urgente de abordar el cambio climático, lo que hace que el desarrollo de alternativas energéticas sostenibles sea más importante que nunca. Si bien las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) se han mostrado muy prometedoras para la producción de energía, particularmente en la industria del transporte, existe un problema de larga data con su durabilidad y costo.
Un equipo de investigación occidental ha abordado el problema con un nuevo nanomaterial modificado con cobalto que hace que los PEMFC sean más robustos, de fácil obtención y ambientalmente sostenibles, demostrando solo una pérdida del dos por ciento en la tasa de eficiencia después de 20.000 ciclos en una prueba de durabilidad.
El nuevo nanomaterial se utiliza para mejorar la reacción de reducción de oxígeno (ORR), el proceso que forma agua en la pila de combustible, lo que permite una corriente más alta para una generación de energía más eficiente. El nanomaterial modificado con cobalto también reduce la dependencia del platino para construir estas pilas de combustible. Un metal precioso costoso, extraído principalmente en Sudáfrica, sólo se producen unos pocos cientos de toneladas de platino al año.
Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi y sus colaboradores en el departamento de química e ingeniería de Western presentaron el nuevo catalizador ORR modificado con cobalto en The Journal of Physical Chemistry C.
"Los enfoques de vanguardia, incluida la aleación de platino con otros metales de transición y la elaboración de estructuras núcleo-cubierta, presentan posibilidades interesantes al reducir la demanda de platino en las celdas de combustible y al mismo tiempo mantener una actividad catalítica excepcional", dijo Sham, catedrático de investigación de materiales y radiación sincrotrón de Canadá. y un autor principal del estudio. "Pero a pesar de los importantes avances, el talón de Aquiles sigue siendo la durabilidad de estos catalizadores debido a sus estructuras inherentemente inestables."
El equipo de Sham y Sun utilizó un método llamado "dopaje con cobalto" para modificar la superficie y las áreas cercanas a la superficie de las nanopartículas núcleo-cubierta de platino-paladio.
"El dopaje es la práctica de introducir cantidades muy pequeñas de determinados átomos extraños en la estructura cristalina de una nanopartícula para modificar sus propiedades electrónicas. Estos átomos extraños se denominan dopantes", dijo Feizabadi, ex analista de investigación del grupo de investigación Sham y autor principal del estudio.
Las nuevas nanopartículas dopadas con cobalto demuestran una estabilidad excepcional, soportando sólo una pérdida del dos por ciento en la actividad inicial después de 20.000 ciclos "extenuantes" de una prueba de durabilidad acelerada, utilizada para obtener conocimientos más profundos sobre los mecanismos de degradación de los catalizadores en entornos de laboratorio controlados. P>
"Esto subraya el notable papel del cobalto en la mejora de la actividad catalítica y el refuerzo de la integridad estructural del catalizador", afirmó Sham, líder mundial en el desarrollo de nuevas técnicas espectroscópicas de rayos X.
Para comprender mejor el comportamiento y la composición del catalizador, el equipo de investigación estudió las nuevas nanopartículas utilizando una línea de microanálisis de rayos X duros en Canadian Light Source, la instalación nacional de fuente de luz sincrotrón de Canadá en la Universidad de Saskatchewan.
Las nanopartículas también se analizaron en Advanced Photon Source en Lemont, Illinois y en Taiwan Photon Source para el estudio.
"Estas nanopartículas dopadas con cobalto son inmensamente prometedoras como catalizadores ORR altamente eficientes y duraderos, lo que representa un avance significativo en el ámbito de la tecnología de pilas de combustible", afirmó Sun, profesor de ingeniería occidental y experto destacado en nanomateriales y energía limpia.
"Este enfoque integral arroja nueva luz sobre el comportamiento y la estructura del catalizador, acercándonos un paso más a las soluciones energéticas sostenibles".
Más información: Ali Feizabadi et al, Nanopartículas Pd@Pt Core–Shell dopadas con cobalto:un estudio correlativo de la estructura electrónica y la actividad catalítica en ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04274
Información de la revista: Revista de Química Física C
Proporcionado por la Universidad de Western Ontario
