Los catalizadores de celdas de combustible Platinum-graphene muestran una estabilidad superior al platino a granel

20.09.2019

Ji Il Choi

Este gráfico muestra cómo la capa de grafeno en gris proporciona estructura y estabilidad a las dos capas atómicas de platino representadas en azul.

Películas de platino de sólo dos átomos de espesor soportadas por grafeno podrían permitir catalizadores de celdas de combustible con una actividad catalítica y longevidad sin precedentes, según un estudio publicado recientemente por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.

El platino es uno de los catalizadores más utilizados para las pilas de combustible debido a la eficacia con la que permite la reacción de reducción de la oxidación en el centro de la tecnología. Pero su alto costo ha estimulado los esfuerzos de investigación para encontrar maneras de utilizar cantidades más pequeñas de él, manteniendo al mismo tiempo la misma actividad catalizadora.

"Siempre va a haber un costo inicial para producir una celda de combustible con catalizadores de platino, y es importante mantener ese costo lo más bajo posible," dijo Faisal Alamgir, un profesor asociado en la Escuela de Ciencia de Materiales e Ingeniería de Georgia Tech. "Pero el costo real de un sistema de celdas de combustible se calcula por la duración de ese sistema, y esto es una cuestión de durabilidad.

"Recientemente ha habido un impulso para usar sistemas catalíticos sin platino, pero el problema es que hasta ahora no se ha propuesto un sistema que coincida simultáneamente con la actividad catalítica y la durabilidad del platino", señaló Alamgir.

Los investigadores de Georgia Tech probaron una estrategia diferente. En el estudio, que fue publicado el 18 de septiembre en la revista Advanced Functional Materials y apoyado por la National Science Foundation, describen la creación de varios sistemas que utilizaban películas atómicamente delgadas de platino apoyadas por una capa de grafeno, maximizando efectivamente la superficie total de platino disponible para reacciones catalíticas y utilizando una cantidad mucho menor de metal precioso.

La mayoría de los sistemas catalíticos basados en platino utilizan nanopartículas del metal unidas químicamente a una superficie de apoyo, donde los átomos superficiales de las partículas realizan la mayor parte del trabajo catalítico, y el potencial catalítico de los átomos debajo de la superficie nunca se utiliza tan plenamente como los átomos superficiales, si es que se utiliza en absoluto.

Además, los investigadores demostraron que las nuevas películas de platino que son de al menos dos átomos de espesor superaron al platino de nanopartículas en la energía de disociación, que es una medida del costo de energía de desalojar un átomo de platino de superficie. Esa medición sugiere que esas películas podrían hacer sistemas catalíticos potencialmente más duraderos.

Para preparar las películas atómicamente delgadas, los investigadores utilizaron un proceso llamado deposición de la capa atómica electroquímica para cultivar monocapas de platino en una capa de grafeno, creando muestras que tenían una, dos o tres capas atómicas de átomos. Luego, los investigadores analizaron las muestras en busca de energía de disociación y compararon los resultados con la energía de un solo átomo de platino en el grafeno, así como con la energía de una configuración común de nanopartículas de platino utilizadas en los catalizadores.

"La pregunta fundamental en el corazón de este trabajo fue si era posible que una combinación de unión metálica y covalente pueda hacer que los átomos de platino en una combinación platino-grafeno sean más estables que sus contrapartes en el platino a granel usado comúnmente en catalizadores que son soportados por la unión metálica", dijo Seung Soon Jang, un profesor asociado en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Los investigadores encontraron que el enlace entre los átomos de platino vecinos en la película esencialmente combina fuerzas con el enlace entre la película y la capa de grafeno para proporcionar refuerzo a través del sistema. Esto era especialmente cierto en la película de platino que tenía dos átomos de espesor.

"Típicamente, las películas metálicas por debajo de cierto espesor no son estables porque los enlaces entre ellas no son direccionales y tienden a girar unas sobre otras y a aglomerarse para formar una partícula", dijo Alamgir. "Pero eso no es cierto con el grafeno, que es estable en una forma bidimensional, incluso en un átomo de espesor, porque tiene vínculos direccionales covalentes muy fuertes entre sus átomos vecinos. Así que este nuevo sistema catalítico podría aprovechar la unión direccional del grafeno para soportar una película atómicamente delgada de platino".

Las investigaciones futuras incluirán más pruebas de cómo se comportan las películas en un entorno catalítico. Los investigadores encontraron en investigaciones anteriores sobre películas de grafito y platino que el material se comporta de manera similar en reacciones catalíticas independientemente de qué lado - grafeno o platino - es la superficie activa expuesta.

"En esta configuración, el grafeno no actúa como una entidad separada del platino", dijo Alamgir. "Están trabajando juntos como uno solo. Por lo tanto, creemos que si se expone el lado del grafeno, se obtiene la misma actividad catalítica y se puede proteger aún más el platino, mejorando potencialmente la durabilidad".

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.

Georgia Institute of Technology

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