El secreto de los catalizadores que aumentan la eficiencia de las pilas de combustible
Un equipo de investigación revela los fenómenos de transición de fase y exsolución del metal para aumentar la actividad catalítica
Las pilas de combustible, que están llamando la atención como fuente de energía ecológica, obtienen electricidad y calor simultáneamente mediante la reacción inversa de la electrólisis del agua. Por tanto, el catalizador que mejora la eficacia de la reacción está directamente relacionado con el rendimiento de la pila de combustible. Para ello, un equipo de investigación conjunto del POSTECH y el UNIST ha dado un paso más hacia el desarrollo de catalizadores de alto rendimiento al descubrir la ex-solución (Una elución: Una operación que calienta mezclas de metales para separar sus componentes) y los fenómenos de transición de fase a nivel atómico por primera vez.
Diagrama esquemático del proceso de transición de fase del material, la formación de partículas ex-solución y el cambio de la actividad catalítica en función del entorno de reducción.
POSTECH
Un equipo de investigación conjunto formado por el profesor Jeong Woo Han y el candidato al doctorado Kyeounghak Kim, del Departamento de Ingeniería Química de POSTECH, y el profesor Guntae Kim, del UNIST, ha descubierto el mecanismo por el que el PBMO -un catalizador utilizado en las pilas de combustible- se transforma de la estructura de perovskita a la de capas con nanopartículas ex-sueltas a la superficie, lo que confirma su potencial como electrodo y catalizador químico. Estos resultados de la investigación se han publicado recientemente como artículo de contraportada de la revista Energy & Environmental Science, una publicación internacional en el campo de la energía.
Los catalizadores son sustancias que potencian las reacciones químicas. El PBMO (Pr0.5Ba0.5MnO3-δ), uno de los catalizadores de las pilas de combustible, es conocido por ser un material que funciona de forma estable incluso cuando se utiliza directamente un hidrocarburo, no el hidrógeno. En particular, presenta una alta conductividad iónica al cambiar a una estructura de capas bajo un entorno de reducción que pierde oxígeno. Al mismo tiempo, se produce el fenómeno de ex-solución en el que los elementos del interior del óxido metálico se segregan a la superficie.
Este fenómeno se produce voluntariamente bajo un entorno de reducción sin ningún proceso particular. A medida que los elementos del interior del material suben a la superficie, la estabilidad y el rendimiento de la pila de combustible mejoran enormemente. Sin embargo, era difícil diseñar los materiales porque se desconocía el proceso por el que se formaban estos catalizadores de alto rendimiento.
Centrándose en estas características, el equipo de investigación confirmó que el proceso pasa por una progresión de transición de fase, exolución de partículas y formación de catalizadores. Esto se demostró utilizando el cálculo de primeros principios basado en la mecánica cuántica y el experimento de DRX in situ que permite observar en tiempo real los cambios estructurales de los cristales de los materiales. Los investigadores también confirmaron que el catalizador de oxidación desarrollado de este modo muestra un rendimiento hasta cuatro veces superior al de los catalizadores convencionales, lo que verifica que este estudio es aplicable a diversos catalizadores químicos.
"Pudimos entender con precisión los materiales en unidades atómicas que eran difíciles de confirmar en experimentos anteriores, y lo demostramos con éxito superando así las limitaciones de la investigación existente al entender con precisión los materiales en unidades atómicas, que eran difíciles de confirmar en experimentos existentes, y demostrarlos con éxito", explicó el profesor Jeong Woo Han, que dirigió el estudio. "Dado que estos materiales de soporte y nanocatalizadores pueden utilizarse para la reducción de gases de escape, sensores, pilas de combustible, catalizadores químicos, etc., se prevé una investigación activa en numerosos campos en el futuro".
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