Las celdas de combustible convierten la energía química almacenada en hidrógeno H2 en energía eléctrica al "quemar" electroquímicamente gas hidrógeno con oxígeno O2 del aire en agua H2O, generando así electricidad. Como resultado, los futuros automóviles eléctricos podríandebe funcionar bastante bien con celdas de combustible en lugar de baterías pesadas. Pero para que la combustión "fría" de hidrógeno y oxígeno funcione bien, el ánodo y el cátodo de la celda de combustible deben estar recubiertos con catalizadores extremadamente activos. El problema es que el platinolos catalizadores basados en esto empleados contribuyen con aproximadamente el 25 por ciento del costo total de las celdas de combustible.
Sin embargo, los complejos de hierro y nitrógeno en el grafeno conocidos como catalizadores de Fe-NC han estado alcanzando niveles de actividad comparables a los catalizadores de Pt / C durante varios años ". Sin embargo, la investigación sistemática de los catalizadores de Fe-NC fue difícil, ya que la mayoría de los enfoquespara preparar los materiales, se obtienen compuestos heterogéneos. Estos contienen varias especies de compuestos de hierro, tales como carburos de hierro o nitruros, además de los centros de FeN4 previstos ", explica Sebastian Fiechter de HZB.
Alta densidad de centros catalíticamente activos
"Ya habíamos desarrollado un nuevo método de preparación en HZB hace unos años para producir un material catalizador económico a partir de compuestos organometálicos como la porfirina de hierro o cobalto", informa Peter Bogdanoff, HZB. Ulrike Kramm e Iris Herrmann-Geppert mejoraron el procesopor producirlo como parte de sus estudios de doctorado en HZB. Como resultado, los catalizadores de metal-NC desarrollados en HZB mantuvieron el récord mundial de la mayor densidad de centros catalíticamente activos de varios compuestos nitrometalíticos hasta aproximadamente 2011. Sin embargo,no quedó claro qué compuestos inorgánicos influyeron en la eficiencia catalítica. El equipo ahora pudo determinar esto.
El proceso de purificación elimina los compuestos interferentes
Lo más destacado en el trabajo actual es un proceso de purificación una combinación de tratamiento térmico con un paso de grabado posterior por el cual la proporción de compuestos metálicos que interfieren con la actividad catalítica se puede reducir sustancialmente, incluso para catalizadores que son altamente heterogéneos.¡Lo interesante aquí es que la actividad aumenta enormemente! Ulrike Kramm, quien desde entonces se convirtió en profesora junior en TU Darmstadt, logró purificar varios catalizadores hasta el punto de que todo el hierro presente en las capas de grafeno estaba exclusivamente en forma de complejos hechosde hierro y cuatro átomos de nitrógeno FeN4. Los científicos refutaron la hipótesis debatida entre los expertos por la cual la mejora en la actividad de los centros de FeN4 solo resultó de promotores, como se les conoce, como las nanopartículas de hierro.
ahora verificado: los centros de FeN4 proporcionan la alta eficiencia catalítica incluso sin promotores
"Para verificar esta hipótesis, empleamos numerosas técnicas de medición complejas como la espectroscopía de Mößbauer, la espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica y la espectroscopía de absorción de rayos X en BESSY II. Esto nos permitió examinar con precisión la estructura atómica de los centros catalíticos", informa Ulrike Kramm.
"El proceso de purificación nos permite ahora crear catalizadores con centros exclusivamente de FeN4. Esto nos permite seleccionar posteriormente los compuestos que se agregarán luego como promotores que mejoran aún más el nivel de actividad o la estabilidad de estos catalizadores", como Ulrike Kramm resume su enfoque de investigaciónen TU Darmstadt.
Sebastian Fiechter y Peter Bogdanoff continúan su investigación en HZB sobre catalizadores novedosos, especialmente en lo que respecta a la generación de hidrógeno utilizando la luz solar. "También podemos usar las ideas sobre cómo funcionan estos catalizadores de metal-NC en nuestro desarrollo continuo de materiales catalizadorespara la producción de hidrógeno a base de energía solar en HZB ", dice Fiechter.
En conjunto, las actividades de investigación en HZB y TU Darmstadt podrían permitir el desarrollo de un ciclo completo de energía regenerativa, utilizando hidrógeno solar en celdas de combustible de bajo costo, produciendo electricidad sin emisión de gases climáticos.
Los resultados ahora se han publicado en el Revista de la Sociedad Americana de Química .
En una manera fácil de preparar carbono dopado con nitrógeno metálico con presencia exclusiva de sitios de tipo MeN4 activos para la ORR, por Ulrike I. Kramm, Iris Herrmann-Geppert, Jan Behrends, Klaus Lips, Sebastian Fiechter y Peter Bogdanoff
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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