Pilas de combustible de hidrógeno libres de metales preciosos
Un ánodo de níquel recubierto de carbono y dopado con nitrógeno puede catalizar una reacción esencial en las pilas de combustible de hidrógeno a una fracción del costo de los metales preciosos en uso.
El nuevo descubrimiento, de la Universidad de Cornell, podría acelerar el uso generalizado de las pilas de combustible de hidrógeno, que son muy prometedoras como fuentes de energía limpias y eficientes para vehículos y otras aplicaciones.
Es uno de una serie de descubrimientos del laboratorio Héctor D. Abruña en su búsqueda de catalizadores activos, económicos y duraderos para su uso en pilas de combustible alcalino. Se publica ahora en PNAS.
"Este hallazgo avanza hacia el uso de pilas de combustible de hidrógeno limpias y eficientes en lugar de combustibles fósiles", dijo Abruña, profesor en el Departamento de Química y Biología Química de la Facultad de Artes y Ciencias.
Actualmente se requieren metales preciosos costosos, como el platino, en las pilas de combustible de hidrógeno para catalizar eficientemente las reacciones que emplean para producir electricidad. Aunque las pilas de combustible de membrana de electrolito de polímero alcalino (APEMFC) permiten el uso de electrocatalizadores de metales no preciosos, carecen del rendimiento y la durabilidad necesarios para reemplazar los sistemas basados en metales preciosos.
Una pila de combustible produce electricidad a través de la reacción de oxidación de hidrógeno (HOR) y una reacción de reducción de oxígeno (OOR). El platino, en particular, es un catalizador modelo para ambas reacciones porque las cataliza de manera eficiente y es duradero en el ambiente ácido de una pila de combustible PEM, dijo Abruña.
Pero, ¿qué pasa con otros materiales? Experimentos recientes con electrocatalizadores HOR de metales no preciosos tenían como objetivo superar dos desafíos principales, escribieron los investigadores: baja actividad intrínseca debido a una energía de enlace de hidrógeno demasiado fuerte y poca durabilidad debido a la rápida pasivación de la formación de óxido metálico.
Para superar estos desafíos, los investigadores diseñaron un electrocatalizador a base de níquel con una cubierta de 2 nanómetros hecha de carbono dopado con nitrógeno.
Su pila de combustible de hidrógeno tiene un catalizador de ánodo (donde se oxida el hidrógeno) que consiste en un núcleo sólido de níquel rodeado por una capa de carbono. Cuando se combina con un cátodo de cobalto-manganeso (donde se reduce el oxígeno), la pila de combustible de hidrógeno resultante completamente libre de metales preciosos genera más de 200 milivatios por centímetro cuadrado.
La presencia de especies de óxido de níquel en la superficie del electrodo de níquel ralentiza drásticamente la reacción de oxidación del hidrógeno, dijo Abruña. El recubrimiento de carbono dopado con nitrógeno sirve como capa protectora y mejora la cinética HOR, lo que hace que la reacción sea más rápida y mucho más eficiente.
Además, la presencia del revestimiento de grafeno en el electrodo de níquel evita la formación de óxidos de níquel, lo que da como resultado electrodos con una vida útil mucho mayor. Estos electrodos también son mucho más tolerantes al monóxido de carbono, que envenena rápidamente al platino.
"El uso de este novedoso ánodo reduciría drásticamente los precios, lo que permitiría la aplicación de pilas de combustible alcalinas en una amplia variedad de áreas", dijo Abruña.
En febrero, Abruña y sus colegas, incluido DiSalvo, descubrieron que un catalizador de nitruro de cobalto es casi tan eficiente como el platino para catalizar la reacción de reducción de oxígeno.
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