A medida que las fuentes renovables como la eólica y la solar están cambiando rápidamente el panorama energético, los científicos están buscando formas de almacenar mejor la energía para cuando sea necesaria. Las celdas de combustible, que convierten la energía química en energía eléctrica, son una posible solución para el almacenamiento de energía a largo plazo, y algún día podrían usarse para alimentar camiones y automóviles sin quemar combustible. Pero antes de que las celdas de combustible puedan usarse ampliamente, los químicos e ingenieros necesitan encontrar formas de hacer que esta tecnología sea más rentable y estable.
Un nuevo estudio del laboratorio de Penn Integrates Knowledge, dirigido por el profesor Christopher Murray y por la estudiante graduada Jennifer Lee, muestra cómo los nanomateriales diseñados a medida, se pueden usar para abordar desafíos de almacenamiento de energía. En ACS Applied Materials & Interfaces, los investigadores muestran cómo se puede construir una celda de combustible a partir de metales más económicos y de mayor disponibilidad, utilizando un diseño de nivel atómico que también le da al material estabilidad a largo plazo. El ex postdoctoral Davit Jishkariani y los ex alumnos Yingrui Zhao y Stan Najmr, el actual alumno Daniel Rosen y los profesores James Kikkawa y Eric Stach, también contribuyeron a este trabajo.
La reacción química que alimenta una celda de combustible se basa en dos electrodos, un ánodo negativo y un cátodo positivo, separados por un electrolito, una sustancia que permite que los iones se muevan. Cuando el combustible ingresa al ánodo, un catalizador separa las moléculas en protones y electrones, y este último viaja hacia el cátodo y crea una corriente eléctrica.
Los catalizadores están hechos típicamente de metales preciosos, como el platino, pero debido a que las reacciones químicas solo ocurren en la superficie del material, se desperdician los átomos que no se presentan en la superficie del material. También es importante que los catalizadores sean estables durante meses y años porque las celdas de combustible son muy difíciles de reemplazar.
Figura 1. Cuando no están ocupados con el microscopio o analizando datos, los investigadores del grupo Murray trabajan en la síntesis de nuevos nanomateriales. Crédito: Universidad de Pensilvania
Los químicos pueden abordar estos dos problemas diseñando nanomateriales personalizados que tengan platino en la superficie mientras usan metales más comunes, como el cobalto, en masa para proporcionar estabilidad. El grupo Murray se destaca en la creación de nanomateriales bien controlados, conocidos como nanocristales, en los que pueden controlar el tamaño, la forma y la composición de cualquier nanomaterial compuesto.
En este estudio, Lee se centró en el catalizador en el cátodo de un tipo específico de celda de combustible conocida como celda de combustible de membrana de intercambio de protones. “El cátodo es más un problema, porque los materiales son a base de platino, que son caros y tienen tasas de reacción más lentas”, dice ella. “Diseñar el catalizador para el cátodo es el objetivo principal para diseñar una buena celda de combustible”.
El desafío, explica Jishkariani, era crear un cátodo en el que los átomos de platino y cobalto se formaran en una estructura estable. “Conocemos bien las mezclas de cobalto y platino; sin embargo, si fabrica aleaciones de estos dos, habrá agregado átomos de platino y cobalto en un orden aleatorio”, dice. Agregar más cobalto en un orden aleatorio hace que se filtre en el electrodo, lo que significa que la celda de combustible solo funcionará por un corto tiempo.
¿Que sigue entonces?
Para resolver este problema, los investigadores diseñaron un catalizador hecho de capas de platino y cobalto conocido como fase intermetálica. Al controlar exactamente dónde se encontraba cada átomo en el catalizador y bloquear la estructura en su lugar, el catalizador de cátodo pudo funcionar durante períodos más largos que cuando los átomos se organizaron al azar. Como un hallazgo inesperado adicional, los investigadores descubrieron que agregar más cobalto al sistema condujo a una mayor eficiencia, con una relación 1 a 1 de platino a cobalto, mejor que muchas otras estructuras con una amplia gama de relaciones de platino a cobalto.
Figura 2. El instrumento de dispersión de rayos X Xeuss 2.0, que llegó al LRSM en 2018, ayuda a los investigadores a caracterizar las estructuras de una amplia gama de materiales duros y blandos. Crédito: Universidad de Pensilvania
El siguiente paso será probar y evaluar el material intermetálico en los conjuntos de celdas de combustible para realizar comparaciones directas con los sistemas disponibles comercialmente. El grupo de Murray también trabajará en nuevas formas de crear la estructura intermetálica sin altas temperaturas y ver si agregar átomos adicionales mejora el rendimiento del catalizador.
Este trabajo requirió imágenes microscópicas de alta resolución, trabajo que Lee hizo anteriormente en Brookhaven National Lab pero, gracias a adquisiciones recientes, ahora se puede hacer en Penn en el Centro Singh de Nanotecnología. “Muchos de los experimentos de alta gama a los que habríamos tenido que viajar en todo el país, a veces en todo el mundo, ahora podemos hacerlo mucho más cerca de casa”, dice Murray. “Los avances que hemos traído en la microscopía electrónica y la dispersión de rayos X son una adición fantástica para las personas que trabajan en la conversión de energía y los estudios catalíticos”.
Lee también experimentó de primera mano cómo la investigación química se conecta directamente con los desafíos del mundo real. Recientemente presentó este trabajo en la conferencia del Instituto Internacional de Metales Preciosos y dice que conocer a miembros de la comunidad de metales preciosos fue esclarecedor. “Hay compañías que buscan tecnología de celdas de combustible y hablan sobre el diseño más nuevo de los autos con celdas de combustible”, dice ella. “Puedes interactuar con personas que piensan en tu proyecto desde diferentes perspectivas”.
Noticia de: Phys.org / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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