Científicos chinos desarrollan un catalizador de hierro de alto rendimiento para pilas de combustible
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Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC), a menudo denominadas "bancos de energía de hidrógeno", son dispositivos de energía limpia que generan electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno con sólo agua como subproducto. Caracterizadas por su alta eficiencia, rápida puesta en marcha y cero emisiones, son muy prometedoras para el transporte, la electrónica portátil y la generación de energía estacionaria. Desgraciadamente, las PEMFC dependen en gran medida del escaso y caro platino como catalizador, lo que hace inviable su adopción generalizada.
Construcción de CS Fe/N-C
ZHAO Yasong
Ahora, sin embargo, un equipo de científicos chinos ha desarrollado un catalizador de alto rendimiento a base de hierro para estas pilas de combustible que podría reducir la dependencia del platino. El nuevo diseño, descrito como "activación interior, protección exterior", permite una eficiencia récord y una durabilidad a largo plazo.
Los catalizadores tradicionales de Fe/N-C suelen depender de la superficie exterior de soportes de grafeno o carbono, lo que limita la exposición de los sitios activos y dificulta su aplicación práctica. En general, las PEMFC también se han visto obstaculizadas por una unión demasiado fuerte con los intermediarios de oxígeno, una cinética de reacción deficiente y la vulnerabilidad a las reacciones de Fenton en entornos oxidativos (por ejemplo, H2O2 y -OH), lo que provoca la lixiviación de metales y la degradación del rendimiento.
Para hacer frente a estos retos, el equipo de investigación dirigido por el profesor WANG Dan (actualmente en la Universidad de Shenzhen) y el profesor ZHANG Suojiang, del Instituto de Ingeniería de Procesos de la Academia China de Ciencias, desarrolló un catalizador de hierro monoatómico de superficie curvada interior (CS Fe/N-C) con una estructura única nanoconfinada hueca multiestrato (HoMS). Cada nanopartícula hueca, de unos 10 nm × 4 nm de tamaño, consta de múltiples conchas en las que los átomos de Fe se concentran en las capas interiores con una alta densidad.
Este catalizador se compone de numerosas nano HoMS dispersas en capas de carbono 2D, con sitios de un solo átomo de hierro principalmente incrustados dentro de la superficie curvada interior de las nano HoMS. La capa exterior de carbono grafitizado del nano HoMS no sólo debilita eficazmente la fuerza de unión de los productos intermedios oxigenados de la reacción, sino que también reduce la tasa de producción de radicales hidroxilo, formando un microentorno característico de "activación interior, protección exterior". El catalizador Fe/N-C proporciona una de las PEMFC sin metales del grupo del platino con mejor rendimiento.
La espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón reveló que estos átomos internos de Fe presentan predominantemente un estado de oxidación +2 y una estructura de coordinación FeN4C10. La espectroscopia Mössbauer confirmó además que el 57,9% de los sitios de Fe se encuentran en un estado D1 de bajo espín catalíticamente activo.
Los cálculos teóricos mostraron que el aumento de la curvatura por sí solo refuerza la unión intermedia y dificulta la desorción, reduciendo así la actividad catalítica. Sin embargo, la introducción de una capa exterior de carbono dopada con nitrógeno y vacantes de Fe induce una repulsión electrostática significativa (0,63-1,55 eV) entre los átomos de nitrógeno de la capa exterior y los átomos de oxígeno de los intermediarios adsorbidos en la capa interior. Esta repulsión debilita la fuerza de unión, rompe la relación de escala lineal entre ΔG*OH, ΔG*O y ΔG*OOH, y mejora significativamente el rendimiento catalítico.
Según los investigadores, el catalizador alcanzó un sobrepotencial de reducción de oxígeno tan bajo como 0,34 V, mucho mejor que el de la estructura planar. También suprimió la formación de peróxido de hidrógeno y mejoró la selectividad y la durabilidad. Además, alcanzó una densidad de potencia récord de 0,75 W cm-2 bajo 1,0 bar de H2-aire con una retención de actividad del 86% tras más de 300 horas de funcionamiento continuo.
Este trabajo establece un nuevo tipo de CS Fe/N-C para la catálisis de reducción de oxígeno altamente activa y duradera en pilas de combustible. La capa exterior de N-C grafitizada debilita eficazmente la fuerza de unión de los intermediarios oxigenados y suprime la generación de -OH, mejorando así tanto la actividad como la estabilidad. Proporciona un nuevo paradigma para el desarrollo de catalizadores de alto rendimiento para la próxima generación de electrocatalizadores.
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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