Un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en los Estados Unidos diseñó un catalizador altamente activo que contiene cobalto intercalado con nitrógeno y carbono y, por lo tanto, no depende del platino para estimular la reacción química necesaria.
En un artículo publicado en la revista Nature Catalysis, los científicos dicen que su invención es cuatro veces más duradera que los catalizadores de estructura similar hechos de hierro, otro sustituto del platino.
En su opinión, sus hallazgos son prometedores para las celdas de combustible en el transporte, ya que las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones emparejadas con hidrógeno requieren catalizadores muy activos para que tenga lugar la reacción química, la reacción de reducción de oxígeno que hace que una celda de combustible funcione de manera eficiente.
Los investigadores comenzaron a analizar el cobalto porque, aunque los metales del grupo del platino (PGM) tienden a ser el material catalizador más común para las celdas de combustible PEM, es muy costoso, mientras que otras opciones, como los metales de transición, se degradan rápidamente en el combustible ácido de la membrana de intercambio de protones. entorno celular.
«Sabíamos que la configuración de cobalto con nitrógeno y carbono era clave para la eficacia con la que reacciona el catalizador y que la densidad del sitio activo era de vital importancia para el rendimiento», dijo Yuyan Shao, autor principal del estudio, en un comunicado de prensa. «Nuestro objetivo era mejorar realmente la actividad de reacción de los catalizadores a base de cobalto».
Shao explicó que él y su equipo inmovilizaron moléculas basadas en cobalto en los microporos de estructuras de imidazolato zeolítico, que sirvieron como vallas protectoras para disminuir la movilidad de los átomos de cobalto y evitar que se agrupen. Luego utilizaron pirólisis a alta temperatura para convertir los átomos en sitios catalíticamente activos dentro del marco.
Dentro de esta estructura, descubrieron que la densidad de los sitios activos aumentaba significativamente, lo que a su vez elevaba la actividad de reacción. Esto logró la actividad más alta en celdas de combustible reportada para catalizadores sin metales del grupo del platino y sin hierro hasta la fecha.
El equipo también descubrió, por primera vez, diferencias significativas en la desmetalización, donde los iones metálicos se lixivian del catalizador y ese catalizador luego pierde actividad. También encontraron que los radicales de oxígeno del peróxido de hidrógeno, un subproducto de la reducción de oxígeno en las pilas de combustible, atacan los catalizadores y provocan una pérdida de rendimiento.
“Al final, pudimos no solo mejorar la actividad del catalizador a base de cobalto, sino que también mejoramos significativamente la durabilidad”, dijo Shao.
«Nuestra investigación adicional nos llevó a descubrir los mecanismos que normalmente degradan este tipo de catalizadores».
