Los científicos tienen una imagen atomística de la degradación del catalizador de platino
La extracción y disolución de los átomos de platino revelada por la difracción de rayos X
La degradación del platino, utilizado como material de electrodos clave en la economía del hidrógeno, acorta severamente la vida útil de los dispositivos electroquímicos de conversión de energía, como las células de combustible. Por primera vez, los científicos dilucidaron los movimientos de los átomos de platino que conducen a la degradación de la superficie del catalizador.
Extracción y disolución de átomos de platino revelados por difracción de rayos X.
© Timo Fuchs
Durante más de medio siglo, el platino ha sido conocido como uno de los mejores catalizadores para la reducción de oxígeno, una de las reacciones clave en las células de combustible. Sin embargo, es difícil cumplir con la alta actividad y estabilidad a largo plazo de los catalizadores necesarios para el despliegue masivo de la tecnología del hidrógeno en el sector del transporte. Los científicos dirigidos por la Universidad de Kiel en colaboración con la ESRF (Francia), la Universidad de Victoria (Canadá), la Universidad de Barcelona (España) y el Forschungszentrum Jülich (Alemania), han descubierto ahora por qué y cómo se degrada el platino. "Hemos creado un cuadro atomístico para explicarlo", dice Olaf Magnussen, profesor de la Universidad de Kiel y autor correspondiente del artículo.
Para lograrlo, el equipo se dirigió a la línea de haz ID31 de la ESRF para estudiar las diferentes facetas de los electrodos de platino en la solución electrolítica. Descubrieron cómo los átomos se organizan y se mueven en la superficie durante los procesos de oxidación, la principal reacción responsable de la disolución del platino.
Los hallazgos abren las puertas a la ingeniería atomística: "Con estos nuevos conocimientos, podemos imaginarnos que se dirigen a determinadas formas y disposiciones de la superficie de las nanopartículas para mejorar la estabilidad del catalizador. También podemos encontrar cómo se mueven los átomos, por lo que potencialmente podríamos añadir aditivos de superficie para suprimir los átomos que se mueven en sentido contrario", explica Jakub Drnec, científico de beamline ID31 y coautor del estudio.
El hecho de que los experimentos tuvieran lugar en condiciones electroquímicas similares a las que se dan en el dispositivo real fue clave para traducir los hallazgos a la tecnología de las pilas de combustible. "Debido a que la superficie del platino cambia rápidamente durante la oxidación, estas mediciones sólo fueron posibles gracias a una nueva y muy rápida técnica para la caracterización de la estructura de la superficie. Este método, la difracción de rayos X de superficie de alta energía, ha sido co-desarrollado en la ESRF" explica Timo Fuchs, de la Universidad de Kiel y co-autor del estudio. "Y es, de hecho, la única técnica que puede proporcionar este tipo de información en el entorno real", añade. Esta es la primera publicación en la que los movimientos atómicos fueron determinados por la técnica en tales condiciones.
Esta investigación debe su éxito a la combinación de las mediciones de rayos X en la ESRF con las mediciones de disolución de alta sensibilidad realizadas en el Forschungszentrum Jülich y las simulaciones avanzadas por ordenador. "Sólo esta combinación de diferentes técnicas de caracterización y cálculos teóricos proporciona una imagen completa de lo que ocurre con los átomos a nivel de nanoescala en un catalizador de platino", señala Federico Calle-Vallejo de la Universidad de Barcelona, responsable de las simulaciones.
El siguiente paso del equipo es continuar los experimentos que proporcionan información sobre los mecanismos de degradación de otras facetas del modelo que imitan los bordes y esquinas de las partículas del catalizador. Estos resultados proporcionarán un mapa de la estabilidad del platino en condiciones de reacción y permitirán a los investigadores desarrollar estrategias racionales para el diseño de catalizadores más estables 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.
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