El nuevo catalizador de pila de combustible logra avances significativos en durabilidad y eficiencia

Durante años, los investigadores han dedicado intensos esfuerzos a encontrar catalizadores económicos que pudieran reemplazar metales caros como el platino, con el objetivo de mejorar la asequibilidad de las pilas de combustible.

Así, los científicos comenzaron su investigación con diferentes combinaciones de tres materiales abundantes y relativamente económicos: hierro, nitrógeno y carbono. El resultado fue irregular e incapaz de alcanzar simultáneamente la durabilidad y la eficiencia en un catalizador de hierro, nitrógeno y carbono, ya que ninguna de las dos cosas se podía lograr.

La solución la proporciona una nueva investigación dirigida por Universidad de Búfalo. Detalles de los investigadores en la revista. Naturaleza estimulante El método de introducir hidrógeno en el proceso de fabricación da como resultado un potente catalizador que rivaliza estrechamente con el rendimiento del platino.

La mejora recomienda un paso vital para ayudar a que la tecnología de pilas de combustible alcance su potencial como proveedor de electricidad libre de contaminación para automóviles, camiones, trenes, aviones y otros vehículos pesados.

Durante muchos años, la comunidad científica ha luchado por equilibrar este equilibrio. Podemos fabricar productos de bajo costo que son efectivos pero que se descomponen fácilmente. O lo hicimos muy estable, pero su rendimiento no puede igualar al platino. Con este trabajo, hemos dado un paso hacia la solución de este problema..

Gang Wu, Ph.D., profesor y autor del estudio, Departamento de Ingeniería Química y Biológica, Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas

El estudio anterior desarrollado por Wu determinó que los catalizadores de hierro, nitrógeno y carbono eran duraderos y no podían aumentar las reacciones bioquímicas dentro de las pilas de combustible.

En este estudio, los científicos abordaron esta limitación en el proceso de fabricación de pirólisis, donde los materiales se combinan a temperaturas excepcionalmente altas.

Los científicos unieron cuatro átomos de nitrógeno al hierro en una cámara de alta temperatura durante la pirólisis. Posteriormente, este material se incrusta en unas pocas capas de grafeno, una forma de carbono fuerte, ligera y flexible.

Este proceso generalmente ocurre dentro de una cámara que contiene un gas inerte, como el argón. Sin embargo, los científicos ahora han alimentado la cámara con hidrógeno para producir una mezcla de 90% de argón y 10% de hidrógeno.

Como resultado, los investigadores obtuvieron un mayor control sobre la composición del catalizador, lo que les permitió colocar con precisión dos compuestos distintos de hierro, nitrógeno y carbono (uno con 10 átomos de carbono y el otro con 12 átomos de carbono) en ubicaciones estratégicas que mejoraron la durabilidad y eficiencia.

El catalizador resultante logró un rendimiento inicial de la pila de combustible que superó el objetivo del Departamento de Energía para 2025. Además, su durabilidad superó la de la mayoría de los catalizadores de hierro, nitrógeno y carbono, y se acercó a la flexibilidad del cátodo común con bajo contenido de platino utilizado en las pilas de combustible.

El equipo incluyó miembros de las siguientes organizaciones: Laboratorio Nacional Argonne; Universidad de Indiana – Universidad Purdue de Indianápolis; el Instituto Nacional de Investigaciones Científicas de Farnese, Quebec; Laboratorio Nacional Oak Ridge; La Universidad Estatal de Oregon; Universidad de Pittsburgh. y la Universidad de Carolina del Sur además de la UB.

El estudio está financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

Referencia de la revista:

Zeng, Y., et al. (2023). El ajuste de la atmósfera de activación térmica rompe el equilibrio entre actividad y estabilidad de los catalizadores de pilas de combustible de Fe-NC reductores de oxígeno. Naturaleza estimulante. doi/s41929-023-01062-8.

fuente: https://www.buffalo.edu/