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Un catalizador para pilas de combustible más baratas
Un nuevo catalizador a base de hierro funciona tan bien como los catalizadores a base de platino para acelerar las reacciones químicas dentro de las pilas de combustible de hidrógeno. El hallazgo podría ayudar a que las pilas de combustible para coches eléctricos sean más baratas y prácticas.
Receta de catalizador: Se utiliza negro de humo, acetato de hierro y un material de relleno rojo o blanco para hacer el catalizador final.
Los investigadores de celdas de combustible han estado buscando alternativas más baratas y abundantes al platino, que cuesta entre $ 1,000 y $ 2,000 la onza y se extrae casi exclusivamente en solo dos países: Sudáfrica y Rusia. Se sabe desde hace mucho tiempo que un catalizador prometedor que utiliza materiales mucho menos costosos (hierro, nitrógeno y carbono) promueve las reacciones necesarias, pero a velocidades que son demasiado lentas para ser prácticas.
Ahora, los investigadores del Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) en Quebec han aumentado drásticamente el rendimiento de este tipo de catalizador a base de hierro. Su material produce 99 amperios por centímetro cúbico a 0,8 voltios, una medida clave de la actividad catalítica. Eso es 35 veces mejor que el mejor catalizador de metal no precioso hasta ahora, y se acerca al objetivo del Departamento de Energía para los catalizadores de celda de combustible: 130 amperios por centímetro cúbico. También coincide con el rendimiento de los catalizadores de platino típicos, dice Jean-Pol Dodelet , profesor de energía, materiales y telecomunicaciones del INRS que dirigió el trabajo.
La mejora, informada en el último número de la revista. Ciencias , es bastante sorprendente, dice Radoslav Adzic , químico senior del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, que también desarrolla catalizadores para pilas de combustible. El nuevo material cumple con un punto de referencia para las pilas de combustible de hidrógeno establecido hace cinco años que pensamos que nadie alcanzaría jamás, añade. Hubert Gasteiger , profesor invitado de ingeniería mecánica en el MIT. Por primera vez, un catalizador de metal no precioso tiene sentido.
La idea clave de los investigadores del INRS fue encontrar una manera de aumentar la cantidad de sitios catalíticos activos dentro del material; con más sitios para reacciones químicas, aumenta la velocidad general de las reacciones en el material. En un trabajo anterior, los investigadores habían demostrado que calentar el negro de carbón (una forma pulverulenta de carbón similar al grafito) a altas temperaturas en presencia de amoníaco y acetato de hierro creaba brechas en el carbono de solo unos pocos átomos de ancho. Los átomos de nitrógeno se unen a los lados opuestos de estos pequeños espacios, y un ión de hierro une estos átomos, formando un sitio activo para la catálisis.
Para aumentar el número de estos sitios, los investigadores utilizaron una forma de carbono disponible comercialmente que ya tiene una gran cantidad de poros igualmente estrechos. Llenar estos poros con un material que contiene nitrógeno y hierro y luego calentar la mezcla dio como resultado velocidades de reacción mucho mejores.
El catalizador está diseñado para funcionar en celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), un tipo de celda de combustible preferida por los fabricantes de automóviles porque opera a temperaturas relativamente bajas y tiene una alta densidad de potencia, es decir, una celda de combustible relativamente pequeña puede producir suficiente electricidad para propulsar un coche. Las pilas de combustible PEM utilizan catalizadores en dos electrodos. Un catalizador divide el hidrógeno y el otro promueve una reacción que combina protones y oxígeno para producir agua. La segunda reacción es más difícil de realizar: en las pilas de combustible convencionales, se utiliza platino en ambos electrodos, pero se necesita 10 veces más en el lado productor de agua. El nuevo catalizador reemplaza al platino en el lado productor de agua, eliminando casi todo el platino en la celda de combustible.
Recientemente, se han demostrado otros catalizadores de metales no preciosos en otro tipo de pila de combustible, llamada pila alcalina, pero es posible que estos no funcionen en el entorno ácido de las pilas de combustible PEM. Al mismo tiempo, muchos investigadores están encontrando formas de reducir la cantidad de platino necesaria, en lugar de reemplazar el material por completo. Esto podría hacer que las celdas de combustible sean más asequibles a corto plazo, aunque eventualmente, si las celdas de combustible se van a utilizar ampliamente, se necesitará un catalizador de metal no valioso, dice Adzic.
Dodelet cree que, si bien su grupo ha resuelto el problema de aumentar la actividad del catalizador, quedan dos obstáculos más importantes antes de que pueda ser práctico en las pilas de combustible. Primero, es necesario mejorar la durabilidad del catalizador. Después de 100 horas de prueba, la velocidad de reacción disminuyó a la mitad. En segundo lugar, debido a que el catalizador solo puede funcionar tan rápido como se proporcionan los reactivos, es necesario mejorar el transporte de oxígeno y protones al material, algo que Dodelet planea dejar a los ingenieros de celdas de combustible. Adzic dice que el primer paso para abordar la durabilidad de los materiales será estudiar de cerca el catalizador para comprender mejor cómo funciona.