Los catalizadores de las pilas de combustible
El estudio constituye una nueva forma de investigar los electrocatalizadores
Investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck han desvelado nuevos conocimientos fundamentales sobre los principios de funcionamiento de los catalizadores de las pilas de combustible. Su estudio, publicado en Nature Communications, revela cómo los múltiples pasos durante la conversión de oxígeno (O2) en agua (H2O) dan lugar a la cinética general del catalizador, y cómo ésta está relacionada con los cambios en la interfaz catalizador-solución. El estudio constituye un profundo paso adelante en nuestra comprensión de las reacciones electrocatalíticas de múltiples pasos.
Representación esquemática de una pila de combustible y de los procesos electroquímicos estudiados.
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Introducción a la actividad de los catalizadores
Los catalizadores son indispensables para nuestro futuro abastecimiento energético. Por ejemplo, se emplean en pilas de combustible que pueden alimentar el transporte pesado y de largo recorrido. Los continuos avances en el campo de los catalizadores y un profundo conocimiento de los electrocatalizadores de las pilas de combustible son esenciales para que esta tecnología resulte más práctica para el uso cotidiano.
El Departamento de Ciencia de las Interfaces del Instituto Fritz Haber ha realizado importantes avances en la comprensión de los principios de funcionamiento de los catalizadores de las pilas de combustible en condiciones de relevancia industrial. Los resultados son cruciales para el avance de la tecnología electroquímica y proporcionan una comprensión fundamental de las reacciones electrocatalíticas de múltiples pasos.
Una cascada cinética
El estudio, llevado a cabo por el Dr. Silva y Jody Druce en el grupo dirigido por el Dr. Öner en el Departamento de Ciencias de la Interfaz dirigido por la Prof. Dra. Beatriz Roldán Cuenya, investiga cómo el sobrepotencial aplicado eléctricamente y la presión de O2 modifican la cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) de cuatro catalizadores diferentes en un entorno de pilas de combustible de relevancia práctica. Descubrieron una cinética muy rica dependiente del sobrepotencial en la que la actividad del catalizador no está limitada por un paso determinante de la velocidad, sino por diferentes pasos sobre una interfase catalizador-solución que a su vez experimenta cambios en función del sobrepotencial.
Ideas técnicas
El Dr. Öner explica: "La opinión tradicional en la comunidad es que las reacciones de varios pasos pueden reducirse a un intermediario que determina la velocidad o, en términos más técnicos, que el grado de control de la velocidad de este paso es igual a uno. Sin embargo, nuestros hallazgos cuestionan esta opinión". Los investigadores descubrieron que los pasos que limitan la velocidad y su grado de control cambian en función del sobrepotencial y la presión. El Dr. Öner subraya que este estudio constituye una nueva forma de llevar a cabo la investigación sobre electrocatalizadores. "En las últimas décadas, los investigadores han aplicado a menudo ciertos tipos de análisis y teorías partiendo de la hipótesis de un único paso determinante de la velocidad. Nuestro trabajo rompe con esta tradición. Ahora estamos proporcionando un marco cinético a los hallazgos de la espectroscopia y la microscopía operando que han observado cambios estructurales y químicos dependientes del sesgo durante décadas. Una de las cuestiones centrales es cómo las propiedades microscópicas dinámicas dependientes del sobrepotencial y de la presión dan lugar a las propiedades de conjunto que definen los parámetros de activación. Como tales, nuestros hallazgos establecen una nueva agenda para futuras investigaciones".
Conclusión y perspectivas de futuro
La Prof. Dra. Beatriz Roldán Cuenya destaca la importancia de vincular los cambios químicos y estructurales dependientes del sobrepotencial y la presión en la interfase catalizador-solución con los parámetros de activación. La investigación no sólo avanza en la comprensión de la actividad del catalizador, sino que también es prometedora para mejorar las tecnologías de conversión de energía. El equipo se ha comprometido a seguir explorando estos descubrimientos para aportar nuevos conocimientos fundamentales que puedan repercutir en los campos de la conversión energética y química y las tecnologías relacionadas.
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