Duplicación de la actividad de los catalizadores de pilas de combustible
La modelización conduce al tamaño óptimo para los catalizadores de pilas de combustible de platino
Un equipo interdisciplinario de investigación de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha construido nanopartículas de platino para la catálisis en pilas de combustible: Los nuevos catalizadores de tamaño optimizado son el doble de buenos que el mejor proceso comercialmente disponible hoy en día.
Nanopartículas de platino con 40 átomos.
B. Garlyyev / TUM
Las pilas de combustible pueden sustituir a las baterías como fuente de energía para los coches eléctricos. Consumen hidrógeno, un gas que podría producirse, por ejemplo, utilizando el excedente de electricidad de las centrales eólicas. Sin embargo, el platino utilizado en las pilas de combustible es raro y extremadamente caro, lo que ha sido un factor limitante en las aplicaciones hasta ahora.
Un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Munich (TUM) dirigido por Roland Fischer, profesor de Química Inorgánica y Organometálica, Aliaksandr Bandarenka, Física de la Conversión y Almacenamiento de la Energía y Alessio Gagliardi, profesor de Simulación de Nanosistemas para la Conversión de la Energía, ha optimizado el tamaño de las partículas de platino hasta el punto de que las partículas se comportan a niveles dos veces más altos que los mejores procesos disponibles en el mercado actualmente.
Ideal: Un huevo de platino de sólo un nanómetro de largo
En las pilas de combustible, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para producir agua, generando electricidad en el proceso. Se requieren catalizadores sofisticados en los electrodos para optimizar esta conversión. El platino juega un papel central en la reacción de reducción de oxígeno.
Buscando una solución ideal, el equipo creó un modelo informático del sistema completo. La pregunta central: ¿Qué tan pequeño puede ser un grupo de átomos de platino y aún así tener un efecto catalítico altamente activo? "Resulta que hay ciertos tamaños óptimos para las pilas de platino", explica Fischer.
Las partículas que miden alrededor de un nanómetro y que contienen aproximadamente 40 átomos de platino son ideales. "Los catalizadores de platino de este orden de tamaño tienen un volumen pequeño pero un gran número de puntos altamente activos, lo que resulta en una gran actividad de masa", dice Bandarenka.
Colaboración interdisciplinaria
La colaboración interdisciplinaria en el Catalysis Research Center (CRC) fue un factor importante en los resultados del equipo de investigación. La combinación de capacidades teóricas en modelización, discusiones conjuntas y conocimientos físicos y químicos obtenidos de los experimentos dio como resultado final un modelo que muestra cómo se pueden diseñar los catalizadores con la forma, el tamaño y la distribución de tamaño ideales de los componentes implicados.
Además, el CRC también tiene la experiencia necesaria para crear y probar experimentalmente los nano-catalizadores de platino calculados. "Esto requiere mucho en términos del arte de la síntesis inorgánica", dice Kathrin Kratzl, junto con Batyr Garlyyev y Marlon Rück, uno de los tres autores principales del estudio.
Dos veces más eficaz que el mejor catalizador convencional
El experimento confirmó exactamente las predicciones teóricas. "Nuestro catalizador es el doble de efectivo que el mejor catalizador convencional del mercado", dice Garlyyev, añadiendo que aún no es adecuado para aplicaciones comerciales, ya que la reducción actual del 50 por ciento de la cantidad de platino tendría que aumentar al 80 por ciento.
Además de las nanopartículas esféricas, los investigadores esperan una actividad catalítica aún mayor a partir de formas significativamente más complejas. Y los modelos informáticos establecidos en la asociación son ideales para este tipo de modelización. "Sin embargo, las formas más complejas requieren métodos de síntesis más complejos", dice Bandarenka. Esto hará que los estudios computacionales y experimentales sean cada vez más importantes en el futuro.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Batyr Garlyyev, Kathrin Kratzl, Marlon Rück, Jan Michalicka, Johannes Fichtner, Jan M. Macak, Tim Kratky, Sebastian Günther, Mirza Cokoja, Aliaksandr S. Bandarenka, Alessio Gagliardi und Roland A. Fischer; "Optimizing the Size of Platinum Nanoparticles for Enhanced Mass Activity in the Electrochemical Oxygen Reduction Reaction"; Angewandte Chemie May 3, 2019
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