Un equipo de investigación interdisciplinario de la Universidad Técnica de Munich TUM ha construido nanopartículas de platino para la catálisis en celdas de combustible: los nuevos catalizadores de tamaño optimizado son dos veces mejores que el mejor proceso disponible comercialmente en la actualidad.
Las celdas de combustible pueden reemplazar las baterías como fuente de energía para los autos eléctricos. Consumen hidrógeno, un gas que podría producirse, por ejemplo, utilizando electricidad excedente de las plantas de energía eólica. Sin embargo, el platino utilizado en las celdas de combustible es raro y extremadamente costoso,que ha sido un factor limitante en las aplicaciones hasta ahora.
Un equipo de investigación en la Universidad Técnica de Munich TUM dirigido por Roland Fischer, profesor de Química Inorgánica y Organometálica, Aliaksandr Bandarenka, Física de Conversión y Almacenamiento de Energía y Alessio Gagliardi, Profesor de Simulación de Nanosistemas para Conversión de Energía, ahora tieneoptimizó el tamaño de las partículas de platino hasta tal punto que las partículas funcionan a niveles dos veces más altos que los mejores procesos disponibles comercialmente en la actualidad.
Ideal: un "huevo" de platino de solo un nanómetro grande
En las celdas de combustible, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para producir agua, generando electricidad en el proceso. Se requieren catalizadores sofisticados en los electrodos para optimizar esta conversión. El platino juega un papel central en la reacción de reducción de oxígeno.
En busca de una solución ideal, el equipo creó un modelo de computadora del sistema completo. La pregunta central: ¿Qué tan pequeño puede ser un grupo de átomos de platino y tener un efecto catalítico altamente activo? "Resulta que hay ciertos valores óptimostamaños para pilas de platino ", explica Fischer.
Las partículas que miden aproximadamente un nanómetro y que contienen aproximadamente 40 átomos de platino son ideales. "Los catalizadores de platino de este orden de tamaño tienen un volumen pequeño pero una gran cantidad de puntos altamente activos, lo que resulta en una alta actividad de masa", dice Bandarenka.
colaboración interdisciplinaria
La colaboración interdisciplinaria en el Centro de Investigación de Catálisis CRC fue un factor importante en los resultados del equipo de investigación. La combinación de capacidades teóricas en el modelado, las discusiones conjuntas y el conocimiento físico y químico obtenido de los experimentos finalmente dio como resultado un modelo que muestra cómo se pueden diseñar los catalizadores conla forma ideal, el tamaño y la distribución del tamaño de los componentes involucrados.
Además, el CRC también tiene la experiencia necesaria para crear y probar experimentalmente los nanocatalizadores de platino calculados. "Esto toma mucho en términos del arte de la síntesis inorgánica", dice Kathrin Kratzl, junto con Batyr Garlyyev y Marlon Rück, uno de los tres autores principales del estudio.
Dos veces más efectivo que el mejor catalizador convencional
El experimento confirmó exactamente las predicciones teóricas. "Nuestro catalizador es dos veces más efectivo que el mejor catalizador convencional del mercado", dice Garlyyev, y agrega que esto todavía no es adecuado para aplicaciones comerciales, ya que la reducción actual del 50 por ciento de la cantidadde platino tendría que aumentar al 80 por ciento.
Además de las nanopartículas esféricas, los investigadores esperan una actividad catalítica aún mayor a partir de formas significativamente más complejas. Y los modelos informáticos establecidos en la asociación son ideales para este tipo de modelado. "Sin embargo, las formas más complejas requieren métodos de síntesis más complejos,"dice Bandarenka. Esto hará que los estudios computacionales y experimentales sean cada vez más importantes en el futuro.
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Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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