26.08.2020 - Universität Bern

Las células de combustible para los vehículos de hidrógeno son cada vez más duraderas

Electrocatalizador sin portador de carbono desarrollado

Un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Berna ha logrado desarrollar un electrocatalizador para pilas de combustible de hidrógeno que, a diferencia de los catalizadores comúnmente utilizados hoy en día, no requiere un portador de carbono y, por lo tanto, es mucho más estable. El nuevo proceso es aplicable industrialmente y puede utilizarse para optimizar aún más los vehículos propulsados por pilas de combustible sin emisiones de CO2.

Las células de combustible están ganando importancia como alternativa a la electromovilidad con baterías en el tráfico pesado, especialmente porque el hidrógeno es un portador de energía de CO2 neutro si se obtiene de fuentes renovables. Para un funcionamiento eficiente, las pilas de combustible necesitan un electrocatalizador que mejore la reacción electroquímica en la que se genera la electricidad. Los catalizadores de nanopartículas de platino y cobalto utilizados como estándar hoy en día tienen buenas propiedades catalíticas y requieren sólo la cantidad necesaria de platino, que es raro y caro. Para que el catalizador pueda utilizarse en la pila de combustible, debe tener una superficie con partículas muy pequeñas de platino y cobalto en el rango de los nanómetros, que se aplica a un material conductor portador de carbono. Dado que las pequeñas partículas y también el carbono de la célula de combustible están expuestos a la corrosión, la célula pierde eficiencia y estabilidad con el tiempo.

Un equipo internacional dirigido por el profesor Matthias Arenz del Departamento de Química y Bioquímica (DCB) de la Universidad de Berna ha logrado ahora utilizar un proceso especial para producir un electrocatalizador sin portador de carbono, que, a diferencia de los catalizadores existentes, consiste en una red metálica delgada y por lo tanto es más duradera. "El catalizador que hemos desarrollado alcanza un alto rendimiento y promete un funcionamiento estable de la pila de combustible incluso a temperaturas más altas y con una alta densidad de corriente", dice Matthias Arenz. Los resultados han sido publicados en Nature Materials. El estudio es una colaboración internacional entre la DCB y, entre otros, la Universidad de Copenhague y el Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma, que también utilizó la infraestructura de la Fuente de Luz Suiza (SLS) en el Instituto Paul Scherrer.

La pila de combustible - generación de energía directa sin combustión

En una pila de combustible de hidrógeno, los átomos de hidrógeno se dividen para generar energía eléctrica directamente de ellos. Para ello, el hidrógeno se alimenta a un electrodo, donde se divide en protones de carga positiva y electrones de carga negativa. Los electrones fluyen a través del electrodo y generan una corriente eléctrica fuera de la célula, que impulsa el motor de un vehículo, por ejemplo. Los protones atraviesan una membrana que sólo es permeable a los protones y reaccionan en el otro lado en un segundo electrodo recubierto con un catalizador (aquí de una red de aleación de platino y cobalto) con el oxígeno del aire, produciendo así vapor de agua. Este se descarga a través del "escape".

El importante papel del electrocatalizador

Para que la pila de combustible produzca electricidad, ambos electrodos deben estar recubiertos con un catalizador. Sin un catalizador, las reacciones químicas se producirían muy lentamente. Esto se aplica en particular al segundo electrodo, el de oxígeno. Sin embargo, las nanopartículas de platino y cobalto del catalizador pueden "fundirse" durante el funcionamiento en un vehículo. Esto reduce la superficie del catalizador y por lo tanto la eficiencia de la célula. Además, el carbono que se utiliza normalmente para fijar el catalizador puede corroerse cuando se utiliza en el tráfico rodado. Esto afecta a la vida útil de la pila de combustible y, por consiguiente, al vehículo. "Nuestra motivación fue, por lo tanto, producir un electrocatalizador sin un portador de carbono que, sin embargo, es potente", explica Matthias Arenz. Anteriormente, los catalizadores similares sin un material portador siempre tenían una superficie reducida. Dado que el tamaño de la superficie es crucial para la actividad del catalizador y, por lo tanto, para su rendimiento, estos eran menos adecuados para el uso industrial.

Tecnología aplicable a la industria

Los investigadores pudieron convertir la idea en realidad gracias a un proceso especial llamado pulverización catódica. Con este método, el individuo de un material (aquí el platino o el cobalto) se disuelve (atomiza) por bombardeo con iones. Los átomos gaseosos liberados se condensan entonces como una capa adhesiva. "Con el proceso especial de pulverización y el tratamiento posterior, se puede lograr una estructura muy porosa, que da al catalizador una gran superficie y es autoportante al mismo tiempo. Por lo tanto, un portador de carbono es superfluo", dice el Dr. Gustav Sievers, autor principal del estudio del Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma.

"Esta tecnología es escalable industrialmente y, por lo tanto, puede utilizarse también para volúmenes de producción más grandes, por ejemplo en la industria automotriz", dice Matthias Arenz. Este proceso permite que la pila de combustible de hidrógeno se optimice aún más para su uso en el tráfico rodado. "Nuestros hallazgos son, por consiguiente, importantes para el desarrollo ulterior del uso de la energía sostenible, especialmente en vista de la evolución actual del sector de la movilidad de los vehículos pesados", dice Arenz.

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF), el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) y el Centro de la Fundación Nacional Danesa de Investigación para la Catálisis de Aleaciones de Alta Endropía, entre otros.

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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