Un catalizador de aleación de platino con unas tierras raras.

Prensa de la Universidad de Tsinghua

Imagen: Nanopartículas de platino-lantano que actúan como electrocatalizadores para acelerar la reacción química en una pila de combustible de hidrógeno para producir electricidad y agua.ver más

Crédito: Nano Research, Prensa de la Universidad de Tsinghua

Los investigadores han ideado un método para combinar platino de alto costo y un elemento de tierras raras de bajo costo, el lantano, como una aleación que sirva como catalizador en la próxima generación de celdas de combustible que mejorará su rendimiento y reducirá su costo. El desarrollo debería facilitar la descarbonización de aquellos vehículos de transporte pesado que son menos susceptibles al uso de baterías para alimentarlos.

El método se describe en un artículo que aparece en la revista Nano Research el 22 de septiembre de 2022.

Es posible que las baterías hayan ganado la batalla contra las pilas de combustible de hidrógeno para alimentar automóviles de forma limpia, pero a otras formas de transporte les resulta difícil cambiar los motores de combustión interna por baterías debido a una serie de obstáculos, como el peso y el volumen de las baterías que ser requerido para el tipo de servicios que prestan. Esto es particularmente cierto en el caso del transporte pesado, como el transporte marítimo, la aviación y el transporte por carretera de larga distancia. En estos casos, la mayoría de los analistas del transporte sugieren que probablemente dependan de algún tipo de combustible limpio.

Una pila de combustible es capaz de impulsar vehículos y otras máquinas convirtiendo la energía química del hidrógeno en electricidad, siendo las únicas otras salidas agua y calor. Hasta ahora, el tipo de pila de combustible más utilizado en numerosos dispositivos, desde los satélites hasta el transbordador espacial, ha sido la pila de combustible alcalina, cuya invención se remonta a casi un siglo. Es más probable que la próxima generación se parezca a una pila de combustible de membrana de electrolito polimérico, que también utiliza hidrógeno para producir electricidad, pero es mucho más compacta, lo que la hace especialmente atractiva para vehículos de transporte pesado.

La clave para hacer que estas reacciones electroquímicas sean más eficientes (y así reducir el costo de las pilas de combustible para hacerlas más competitivas con el uso de combustibles fósiles) es encontrar mejores catalizadores, materiales que aceleren esas reacciones.

Desafortunadamente, de todos estos 'electrocatalizadores' que hacen posible la reacción química clave involucrada (la reacción de reducción de oxígeno, ORR), el platino es, con diferencia, el mejor. Y el platino, un metal raro, no es barato. Para los PEMFC en particular, el costo increíblemente alto del platino ha sido una barrera importante para su adopción. La rápida degradación después de un número relativamente pequeño de ciclos de uso de este ya costoso electrocatalizador en el ambiente PEMFC altamente corrosivo solo ha empeorado la situación.

"Así que estamos buscando un electrocatalizador que sea de bajo costo, más resistente a la degradación y, por lo tanto, estable durante períodos de tiempo más largos, y que al mismo tiempo proporcione una densidad de corriente impresionante; en otras palabras, la cantidad de corriente eléctrica por unidad de volumen", dijo. Siyuan Zhu, uno de los autores del artículo y electroquímico del Instituto de Química Aplicada de Changchun de la Academia de Ciencias de China, "lo que nos permite cumplir la promesa de la compacidad de los PEMFC".

La principal opción que se ha considerado para reducir costos es "diluir" la cantidad de platino necesaria como electrocatalizador aleándolo con otros metales más baratos que puedan ayudar o incluso mejorar las propiedades catalíticas del platino.

Y los principales candidatos para la aleación con platino han sido hasta ahora los llamados metales de transición tardía. Los metales de transición son aquellos elementos que se encuentran en el medio, o bloque d, de la tabla periódica. El hierro, el manganeso y el cromo son metales de transición en el medio de ese bloque central, y los metales de transición "tardíos", como el cadmio y el zinc, se pueden encontrar en el lado derecho del mismo.

Sin embargo, se ha demostrado que los metales de transición tardía no son inmunes a la disolución en el duro y corrosivo entorno PEMFC. Esto no sólo da como resultado una disminución constante del rendimiento, sino que el metal disuelto reacciona aún más con los subproductos de la reacción de reducción de oxígeno, causando daños incontrolables a todo el sistema.

Sin embargo, los primeros metales de transición, los que se encuentran en el lado izquierdo del bloque central de la tabla periódica, como el itrio y el escandio, son mucho más estables. Los cálculos teóricos han demostrado que las aleaciones de platino y estos dos primeros metales de transición son las más estables hasta el momento.

Entre los primeros metales de transición, hasta ahora se ha pasado por alto un grupo: los elementos de tierras raras (REE). A pesar de su nombre, los REE son bastante comunes en la corteza terrestre y pueden contribuir sustancialmente a la actividad electroquímica de los catalizadores. Por lo tanto, hasta ahora el problema al explorar los REE como posibles socios de aleación para el platino no proviene del costo, sino de su mala conductividad y solubilidad en medios ácidos. En principio, ambos problemas pueden superarse mediante el uso de métodos sintéticos para la producción de una aleación de platino-REE, pero hasta ahora hay pocos informes sobre métodos sintéticos factibles.

Así que los investigadores idearon uno para la preparación de una aleación entre platino y lantano REE.

La técnica implica sólo dos sencillos pasos. En primer lugar, los investigadores obtuvieron sales de lantano y ácido trimésico fácilmente disponibles, y estos dos materiales precursores luego se autoensamblaron en "barras" a nanoescala. Luego, estas nanobarras se impregnaron con platino a 900°C. Esta temperatura tan alta es necesaria para garantizar un proceso fluido de aleación de los dos metales.

Las nanopartículas de platino-lantano resultantes se sometieron a pruebas de estrés para determinar su rendimiento en una pila de combustible. El electrocatalizador de aleación superó las expectativas de los investigadores y proporcionó una estabilidad y actividad superiores incluso después de 30.000 ciclos de pila de combustible.

Una vez demostrado el éxito del lantano como compañero de aleación del platino, los investigadores ahora quieren probar otros elementos de tierras raras para alearlos con platino para ver si pueden superar el rendimiento electrocatalítico del lantano.

El artículo también está disponible en SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4868-3) de Tsinghua University Press.

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