Un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China desarrolló un nuevo catalizador que requiere pequeñas cantidades de platino y produce una alta actividad catalítica para la comercialización de pilas de combustible.
En un artículo publicado en la revista Science, los investigadores explican que los catalizadores de las pilas de combustible suelen estar hechos de platino o aleaciones de Pt con metales de transición finamente revestidos sobre los soportes de carbono poroso porque el metal precioso es un material catalítico ideal, ya que puede soportar las condiciones ácidas y aumentar la tasa de química reacciones de manera eficiente. Sin embargo, dado que es costoso y tiene reservas de recursos insuficientes, su utilización es uno de los factores que dificultan la producción en masa de vehículos de pila de combustible .
Pensando en una solución a este problema, el grupo de la USTC empleó un método de anclaje de azufre de alta temperatura para sintetizar catalizadores de nanopartículas intermetálicas (i-NP) de Pt de tamaño pequeño con carga ultrabaja de Pt y alta actividad de masa. Su experimento no solo resultó exitoso, sino que también les permitió establecer bibliotecas de i-NP, incluidos 46 tipos de nanopartículas (NP) de Pt para detectar materiales de electrodos económicos y duraderos. así como explorar sistemáticamente las relaciones estructura-actividad de i-NPs.
Los I-NP han atraído una gran atención debido a sus propiedades únicas ordenadas atómicamente y su excelente rendimiento catalítico en muchas reacciones químicas. Sin embargo, la inevitable sinterización del metal a altas temperaturas no es deseable durante la síntesis de i-NP, ya que dará lugar a cristalitos más grandes. Por lo tanto, da como resultado una disminución del área de superficie específica y una menor actividad catalítica de los materiales, y eventualmente reduce la tasa de utilización de Pt, lo que aumenta en gran medida el costo de las celdas de combustible.
El equipo de investigación dirigido por Liang Haiwei, por lo tanto, utilizó una fuerte interacción química Pt-azufre. Prepararon intermetálicos de Pt sobre soportes de carbono dopado con azufre (SC) para suprimir la sinterización de las NP a altas temperaturas, y pudieron obtener i-NP ordenadas atómicamente con un tamaño medio de <5 nm. Los soportes SC mostraron una excelente capacidad anti-sinterización, y los investigadores obtuvieron NP de Pt con un diámetro promedio aún <5 nm después del recocido a altas temperaturas de hasta 160 °C. Sin embargo, se observó una severa sinterización de Pt después del mismo proceso de recocido en soportes comerciales de negro de humo.
Para aprovechar la propiedad anti-sinterización, los investigadores sintetizaron 46 tipos de i-NP basados en Pt de pequeño tamaño en soportes SC y establecieron i-NP bibliotecas Se midieron las caracterizaciones espectrales y los resultados verificaron las fuertes interacciones químicas de los enlaces Pt-S. Además, los resultados de la difracción de rayos X (XRD) mostraron un alto grado de ordenación y un tamaño pequeño de los catalizadores i-NP en las bibliotecas, de acuerdo con el análisis estadístico de la microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) observaciones.
«Con base en las bibliotecas i-NP, podemos estudiar sistemáticamente la relación entre la estructura y el rendimiento de los catalizadores», dijo Liang en un comunicado de prensa. «Muestras suficientes nos ayudaron a descartar catalizadores eficientes que se esperaba que redujeran en gran medida el costo de las celdas de combustible».
El investigador y su grupo seleccionaron i-NP y las aplicaron para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC). Estos catalizadores exhibieron un excelente rendimiento electrocatalítico para la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
En su opinión, este método genera esperanzas de reducir la cantidad de Pt utilizada, disminuyendo así el costo de las celdas de combustible.
“Al diseñar las estructuras porosas y las funcionalidades superficiales de los soportes de carbono, se puede mejorar aún más la eficiencia de las celdas de combustible, acelerando así su traslado 9980 del laboratorio al público «, dijo Liang.
