Producción fácil y escalable de un nanocatalizador de pila de combustible para la economía del hidrógeno
por Staff Writers
Daejeon, Corea del Sur (SPX) 17 de febrero de 2023
Una celda de combustible es un generador de energía eléctrica que es capaz de producir electricidad a partir de gas hidrógeno mientras descarga solo agua como producto de desecho. Se espera que este sistema de energía limpia altamente eficiente juegue un papel clave en la adopción de la economía del hidrógeno, reemplazando los motores de combustión y las baterías en automóviles y camiones, así como en las centrales eléctricas.
Sin embargo, el costo del platino, que puede ser de hasta ~30,000 XNUMX USD por kg, ha sido una limitación importante, lo que hace que los catalizadores de celdas de combustible sean prohibitivamente caros. Los métodos de producción de catalizadores de alto rendimiento también han sido complicados y en gran medida limitados. En consecuencia, el desarrollo de un método de producción fácil y escalable para catalizadores de celdas de combustible basados en platino es un desafío urgente, junto con mejorar el rendimiento y la estabilidad catalíticos utilizando una cantidad mínima de platino.
Para abordar este problema, un equipo de investigación dirigido por el Prof. SUNG Yung-Eun y el Prof. HYEON Taeghwan en el Centro de Investigación de Nanopartículas (CNR) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), Corea del Sur, ha descubierto un método novedoso para la producción de nanocatalizadores. Los investigadores demostraron que estas nanopartículas de aleación de cobalto-platino (Co-Pt) de tamaño uniforme (3-4 nanómetros) se pueden producir mediante un tratamiento térmico simple. Este método tiene características combinadas de la facilidad de síntesis del método de impregnación, junto con el control preciso sobre el tamaño y la forma de los nanocristales similar al método coloidal.
Los nuevos nanocatalizadores de aleación de Co-Pt desarrollados por el equipo de CNR-IBS consisten en dos complejos metálicos con carga opuesta, específicamente iones de Co y Pt rodeados por ligandos de bipiridina y cloro, respectivamente. El equipo de investigación planteó la hipótesis de que un simple tratamiento térmico haría que el ligando de bipiridina se descompusiera térmicamente en una capa de carbono que puede proteger las nanopartículas de aleación de Co-Pt en crecimiento. Tras optimizar las condiciones del tratamiento térmico, consiguieron obtener un nanocatalizador muy uniforme con nanopartículas de tan solo 3-4 nanómetros de tamaño.
En el nanocatalizador desarrollado por el grupo, los átomos de Co y Pt estaban dispuestos de forma regular, lo que se conoce como "fase intermetálica", en la que los átomos de Co inestables se estabilizan con los átomos de Pt circundantes. Además, cuando el nitrógeno se dopó de manera efectiva sobre el soporte de carbono, los ionómeros (conductores de protones) se dispersaron homogéneamente sobre toda la capa de catalizador en la celda de combustible, lo que facilitó mejor el suministro de oxígeno gaseoso a la superficie del nanocatalizador de Co-Pt.
Estas características estructurales se sumaron a un rendimiento de potencia muy mejorado en la celda de combustible de membrana de intercambio de protones, exhibiendo una alta potencia nominal específica de 5.9 kW/gPt, que es aproximadamente el doble del rendimiento actual en un vehículo comercial de hidrógeno.[1 ] El catalizador producido por el equipo ha logrado la mayoría de los objetivos para 2025 establecidos por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) con el objetivo de una operación estable a largo plazo de la celda de combustible.
El equipo de CNR-IBS cree firmemente que este estudio estimularía el desarrollo de catalizadores de celdas de combustible de próxima generación. Estos hallazgos también contribuirían a las mejoras en el rendimiento catalítico y la durabilidad de los nanocatalizadores de aleación para otras aplicaciones electrocatalíticas.
El Prof. Hyeon, declaró: “El diseño de un nuevo compuesto bimetálico como material precursor ha sido el punto de partida crítico en este estudio. Hemos desarrollado una tecnología de plataforma para producir una forma complicada de nanocatalizadores de aleación a través de un método simple y escalable, y finalmente logramos un rendimiento de energía de celda de combustible mejorado con menos cantidad de platino utilizado”.
El Prof. Sung comentó: “En esta investigación, se logró un nivel de rendimiento de celda de combustible de clase mundial, superando la mayoría de los objetivos para 2025 del DOE de EE. UU. al disminuir la cantidad de platino que puede contribuir hasta alrededor del 40 % del costo del combustible. células." Agregó: "Esperamos que este estudio, junto con algunos estudios de seguimiento, tenga un gran impacto en el crecimiento de la industria de vehículos de hidrógeno y la realización de la economía del hidrógeno en un futuro cercano".
Informe de investigación:Producción escalable de un electrocatalizador intermetálico Pt-Co para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones de alta potencia
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Instituto de Ciencias Básicas
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