Las capas catalíticas de las pilas de combustible, al descubierto gracias a la crioimagen
Primeros conocimientos sobre la nanoestructura de las capas catalizadoras de platino
Gracias a una novedosa combinación de tomografía electrónica de transmisión criogénica y aprendizaje profundo, investigadores de la EPFL han proporcionado un primer vistazo a la nanoestructura de las capas catalizadoras de platino, revelando cómo podrían optimizarse para la eficiencia de las pilas de combustible.
En una de las imágenes del laboratorio, las nanopartículas de platino aparecen en rosa
© INE EPFL
Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), que se están desarrollando para su uso en vehículos eléctricos, se basan en nanopartículas llamadas catalizadores para desencadenar reacciones productoras de electricidad entre el hidrógeno y el oxígeno. La mayoría de los catalizadores PEMFC contienen platino, un metal escaso y precioso. Por tanto, existe una necesidad acuciante a nivel mundial de desarrollar catalizadores que puedan generar la máxima energía minimizando el contenido de platino.
Los fabricantes integran estos catalizadores en complejos conjuntos denominados capas catalizadoras. Hasta ahora, tenían que hacerlo sin una imagen detallada de la estructura resultante, ya que los procesos tradicionales de obtención de imágenes casi siempre causan algún grado de daño.
Vasiliki Tileli, jefa del Laboratorio de caracterización in situ de nanomateriales con electrones de la Escuela de Ingeniería, ha encontrado una forma de sortear este reto. Obteniendo imágenes de catalizadores y su entorno a temperaturas bajo cero mediante tomografía electrónica de transmisión criogénica y procesando las imágenes con aprendizaje profundo, ella y sus colegas han logrado revelar, por primera vez, la estructura a nanoescala de las capas de catalizador.
"Todavía estamos lejos de las PEMFC sin platino, que es muy caro, por lo que, a corto plazo, necesitamos reducir la carga de platino para que esta tecnología sea viable para la producción en masa. Por eso es imperativo entender cómo se sitúa el platino en relación con otros materiales dentro de la capa catalizadora, para aumentar la superficie de contacto necesaria para que se produzcan las reacciones químicas", explica Tileli.
"Por eso es todo un logro obtener imágenes de estos catalizadores en tres dimensiones; antes era imposible conseguir el contraste adecuado entre los distintos componentes de la capa catalítica".
El trabajo se ha publicado recientemente en la revista Nature Catalysis.
Mejor conservación; mayor resolución
Durante la obtención de imágenes con microscopía electrónica convencional, los haces de electrones suelen dañar las delicadas muestras de capas catalíticas, lo que hace que los materiales se encojan o se deformen. Al obtener las imágenes in situ a temperaturas criogénicas, Tileli y su equipo pudieron preservar la mayor parte de la morfología de la capa de catalizador. A continuación, utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para eliminar el ruido de las imágenes y clasificarlas con mayor precisión, lo que les permitió lograr una resolución de imagen mayor de lo que había sido posible hasta entonces.
Lo más importante es que los científicos pudieron revelar el grosor heterogéneo de una capa de polímero poroso sobre los catalizadores llamada ionómero. El grosor del ionómero influye mucho en el rendimiento de los catalizadores de platino.
"El ionómero debe tener un grosor determinado para que las reacciones catalíticas se produzcan con eficacia. Como pudimos hacer una reconstrucción completa de las capas del catalizador con daños limitados en la estructura, pudimos mostrar, por primera vez, cuánto platino está cubierto de ionómero y el grosor de esa cobertura", explica Tileli.
Esta información podría ser una mina de oro para los fabricantes de catalizadores, que podrían utilizarla para producir catalizadores con más partículas de platino cubiertas por la cantidad adecuada de ionómero y, por tanto, con un rendimiento óptimo.
"El crioaspecto es el componente clave de este estudio. Los ionómeros son como las proteínas: son blandos y requieren condiciones de congelación para estabilizar y proteger su estructura", explica Tileli.
"Creo que esta técnica avanzada será, por tanto, útil no sólo para facilitar la fabricación en masa de pilas de combustible de plomo con platino optimizado, sino también para muchas aplicaciones diferentes de la ciencia de los materiales y la energía, por ejemplo, el almacenamiento en baterías, la electrólisis del agua y los sistemas de conversión de energía en general."
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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