Investigadores de la Universidad de Tsinghua han ideado un método para combinar platino y lantano como una aleación para servir como catalizador en la próxima generación de celdas de combustible que mejorarán su rendimiento y reducirán su costo.
En un artículo publicado en la revista Nano Research , el equipo detrás del desarrollo señala que, hasta ahora, el tipo de celda de combustible más utilizada en varios dispositivos, desde satélites hasta el transbordador espacial, ha sido la celda de combustible alcalina . cuya invención data de hace casi un siglo.
Es más probable que la próxima generación se parezca a una celda de combustible de membrana de electrolito de polímero, que también utiliza hidrógeno para producir electricidad pero es mucho más compacta, lo que la hace especialmente atractiva para los vehículos de transporte pesado.
La clave para hacer que tales reacciones electroquímicas sean más eficientes y, por lo tanto, reducir el costo de las celdas de combustible para hacerlas más competitivas con el uso de combustibles fósiles, es encontrar mejores catalizadores .
De todos estos ‘electrocatalizadores’ que hacen posible la reacción química clave (la reacción de reducción de oxígeno u ORR), el platino es, con diferencia, el mejor. Pero para las celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEMFC), en particular, el costo increíblemente alto del platino ha sido una barrera importante para su adopción.
El hecho de que el platino se degrade después de algunos ciclos de uso en el entorno PEMFC altamente corrosivo es otra barrera importante.
“Entonces, la búsqueda de un electrocatalizador que sea de bajo costo, más resistente a la degradación y, por lo tanto, estable durante períodos de tiempo más prolongados, al mismo tiempo que brinde una densidad de corriente impresionante, en otras palabras, la cantidad de corriente eléctrica por unidad de volumen, está en marcha”. Siyuan Zhu, uno de los autores del artículo, en un comunicado de prensa. «Y así nos permite mantener la promesa de la compacidad de las PEMFC».
REEs al rescate
La opción principal que se ha estado considerando para la reducción de costos es ‘diluir’ la cantidad de platino necesaria aleándolo con otros metales más baratos que pueden ayudar o incluso mejorar las propiedades catalíticas de Pl.
Los principales candidatos hasta ahora han sido los llamados metales de transición media y tardía, como el hierro, el manganeso, el cromo, el cadmio y el zinc.
Sin embargo, se ha demostrado que los metales de transición tardía no son inmunes a la disolución en el entorno duro y corrosivo de las PEMFC. Esto no solo da como resultado disminuciones constantes en el rendimiento, sino que el metal disuelto reacciona aún más con los subproductos de la reacción de reducción de oxígeno, causando daños incontrolables en todo el sistema.
Por otro lado, los primeros metales de transición, como el itrio y el escandio, son mucho más estables.
Pero entre los primeros metales de transición, hay un grupo que hasta ahora se ha pasado por alto: los elementos de tierras raras (REE).
El problema con los REE es que muestran poca conductividad y solubilidad en medios ácidos. En principio, estos problemas se pueden superar mediante el uso de métodos sintéticos para la producción de una aleación de platino-REE, pero hasta ahora ha habido pocos informes de métodos sintéticos viables.
Por eso, los investigadores de Tsinghua idearon uno para la preparación de una aleación entre platino y el lantano REE.
La técnica consta de dos sencillos pasos. Primero, obtuvieron sales de lantano y ácido trimésico fácilmente disponibles, y estos dos materiales precursores luego se autoensamblaron en «varillas» a escala nanométrica. A continuación, estos nanorods se impregnaron con platino a 900 °C. Esta temperatura muy alta es necesaria para garantizar un proceso suave de aleación de los dos metales.
A continuación, las nanopartículas de platino y lantano resultantes se sometieron a pruebas de estrés para comprobar su rendimiento en una pila de combustible. El electrocatalizador de aleación superó las expectativas de los investigadores, brindando una estabilidad y actividad superiores incluso después de 30 000 ciclos de celdas de combustible.
Una vez demostrado el éxito del lantano como compañero de aleación para el platino, los investigadores ahora quieren explorar si otros elementos de tierras raras pueden superar el rendimiento electrocatalítico del lantano cuando se alean con platino.
