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Un mejor catalizador de platino para pilas de combustible
Un nuevo tipo de catalizador podría dar lugar a pilas de combustible que utilicen una quinta parte del platino que utilizan ahora. El nuevo material, desarrollado por investigadores de la Universidad de Houston, la Universidad Técnica de Berlín en Alemania, y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía en Menlo Park, CA, consta de nanopartículas con núcleos hechos de una aleación de cobre y platino y un exterior cáscara que es principalmente de platino. El material es hasta cinco veces más eficaz que el platino normal.
Concha brillante: Cuando una nanopartícula de aleación de platino-cobre de cuatro nanómetros (arriba) se expone a una corriente alterna cíclica, los átomos de cobre se separan de la superficie, creando una capa rica en platino, que se ve más brillante (abajo) bajo un microscopio electrónico de transmisión de barrido.
El platino y las aleaciones de platino son los catalizadores más eficientes para acelerar las reacciones químicas en las pilas de combustible de hidrógeno. El platino es el único metal que puede soportar las condiciones ácidas dentro de una celda de este tipo, pero es caro y esto ha limitado las aplicaciones amplias y a gran escala de las celdas de combustible. Además, alrededor del 90 por ciento del suministro mundial de platino proviene de solo dos países: Sudáfrica y Rusia.
El nuevo material ya cumple con el objetivo de 2015 del Departamento de Energía de EE. UU. Para catalizadores de platino: producir al menos 0,44 amperios de corriente eléctrica por miligramo de platino. Produce hasta 0,49 amperios por miligramo de platino, y los investigadores creen que debería ser posible aumentar aún más la actividad catalítica del material. Si pudiéramos obtener otro factor de dos [mejora en la actividad catalítica], creemos que el costo del platino en estas celdas de combustible haría que la tecnología sea más práctica, dice el físico de SLAC. Anders Nilsson .
Este es un trabajo excelente que debería permitirnos utilizar menos platino en las pilas de combustible, dice Jean-Pol Dodelet , profesor de energía, materiales y telecomunicaciones en el Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) en Quebec.
En el ánodo de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) convencional, el catalizador divide el hidrógeno en iones y electrones de hidrógeno, y estos últimos fluyen fuera de la celda para crear corriente. En el cátodo, las moléculas de oxígeno se combinan con electrones e iones de hidrógeno para formar agua. Esta reacción es lenta y acelerarla requiere 10 veces más platino que el que se usa en el ánodo. Si está intentando reemplazar el platino, es más importante reemplazar el platino en el cátodo, dice Dodelet.
Peter Strasser, profesor de ingeniería química tanto en la Universidad de Houston como en la Universidad técnica de berlín , comenzó a trabajar en un nuevo tipo de catalizador en 2005, depositando nanopartículas de una aleación de cobre y platino sobre soportes de carbono. Cuando se aplica una corriente alterna cíclica al material, el cobre se separa de la región de la superficie, dando a las nanopartículas una capa externa rica en platino.
En una reciente Química de la naturaleza En papel, los investigadores revelan el mecanismo que hace que este catalizador sea más activo que el platino regular. Al estudiar cómo los rayos X son dispersados por el nuevo catalizador, descubrieron que la distancia entre los átomos de platino que quedan en la superficie de las nanopartículas es menor que la distancia en las nanopartículas de platino puro. Un buen catalizador debería poder dividir las moléculas de oxígeno en átomos, pero no debería unirse con demasiada fuerza a los átomos libres; la distancia más corta entre los átomos de platino en el nuevo material lo convierte en un catalizador más eficaz porque se une aún más débilmente con los átomos de oxígeno.
Existen alternativas al uso de platino como catalizador. Dodelet y su grupo han trabajado con General Motors para desarrollar un catalizador a base de hierro prometedor que ahora están trabajando para comercializar. Mientras tanto, se están preparando catalizadores de nanotubos de carbono y catalizadores de níquel de bajo costo para la química de pilas de combustible alcalinas.
Los catalizadores sin platino tienen ventajas además de su bajo costo, dice Liming Dai , profesor de ingeniería de materiales en la Universidad de Dayton, en Ohio, que trabaja en catalizadores de nanotubos de carbono. Las nanopartículas de platino tienden a perder su eficacia catalítica al agregarse en partículas más grandes con el tiempo o cuando el monóxido de carbono se adhiere a su superficie. Los nanotubos de carbono son más robustos a largo plazo, dice Dai.
Este es un trabajo interesante y un avance importante porque el mecanismo podría aplicarse a otros catalizadores, dice Dai sobre el nuevo catalizador de platino. Sería interesante comprobar la estabilidad a largo plazo y el efecto de envenenamiento de la superficie por monóxido de carbono para este tipo de catalizador núcleo-capa.
Strasser está de acuerdo en que el nuevo catalizador necesitará más pruebas. Sin embargo, el tamaño más grande de las partículas núcleo-capa las hace intrínsecamente más estables que el platino puro, dice. La elección de este metal también marca la diferencia. Confiamos en que los metales alternativos distintos del platino en el núcleo, como el cobalto o el níquel, resolverán el problema de estabilidad mientras se mantiene la ventaja de actividad de la estructura núcleo-capa, dice Strasser.
El nuevo material también se ha probado en pilas de combustible en funcionamiento, lo que podría ser una ventaja de mercado crucial. La mayoría de estos otros catalizadores se midieron en medidas electroquímicas, dice. Tienen potencial para usarse en el futuro, pero este [nuevo catalizador] es algo que tenemos y que puede colocar en celdas de combustible reales hoy.