Los avances en las observaciones en tiempo real de la degradación de los catalizadores en las pilas de combustible podrÃan abrir las puertas a una nueva generación más eficiente y duradera.
Toyota Motor Corporation (TMC) y el Centro de Cerámica Fina de Japón han desarrollado una nueva técnica de observación gracias a la cual los investigadores pueden supervisar el comportamiento de las partÃculas nanométricas de platino en las reacciones quÃmicas que se producen en las pilas de combustible, para poder observar los procesos que reducen la reactividad catalÃtica.
El platino es un catalizador esencial para las reacciones quÃmicas que se producen entre el oxÃgeno y el hidrógeno en las pilas de combustible para generar electricidad. La menor reactividad es el resultado del «engrosamiento» de las nanopartÃculas de platino, un proceso por el cual aumenta el tamaño de las mismas pero disminuye su área superficial. Hasta ahora, sin embargo, no ha sido posible observar los procesos que dan lugar a ese “engrosamientoâ€, por lo que resultaba difÃcil analizar las causas subyacentes.
Gracias al nuevo método de observación, se pueden detectar los puntos del carbono portador donde el platino se engrosa, asà como el voltaje generado durante el proceso de engrosamiento. El método también puede ayudar a determinar las distintas caracterÃsticas de diversos tipos de materiales portadores. Este análisis global puede guiar la I+D hacia la mejora del rendimiento y la durabilidad del catalizador de platino, asà como de la pila de combustible.
Las pilas de combustible generan electricidad a través de la reacción quÃmica del hidrógeno gaseoso que lleva el vehÃculo con el oxÃgeno del aire. Más concretamente, cada una de las celdas del sistema genera electricidad a partir de la reacción quÃmica entre el cátodo de oxÃgeno y el ánodo de hidrógeno, que produce agua como subproducto.
Durante la reacción quÃmica, las moléculas de hidrógeno se separan en electrones e iones de hidrógeno en el ánodo de hidrógeno, donde el catalizador de platino separa los electrones de la molécula de hidrógeno. Los electrones se desplazan hasta el cátodo de oxÃgeno y generan la electricidad que propulsa el motor. Mientras tanto, los iones de hidrógeno atraviesan una membrana de polÃmero para llegar al cátodo de oxÃgeno, donde se produce agua como subproducto de los iones y electrones de hidrógeno al exponerse al oxÃgeno del aire. El platino también funciona como catalizador de esta reacción.
El platino es esencial para la generación de electricidad en las pilas de combustible, y desempeña un papel crucial para aumentar la eficiencia de la generación eléctrica en la pila de combustible.
Sin embargo, el platino es escaso y caro. Por otra parte, al generarse electricidad, las nanopartÃculas de platino se engrosan, con lo que disminuye la potencia de la pila de combustible. Para evitar ese engrosamiento y mantener el rendimiento catalÃtico, es preciso conocer el comportamiento subyacente al proceso. No obstante, la microscópica escala de las nanopartÃculas de platino dificulta la observación por medios convencionales.
El método convencional de observación de nanopartÃculas de platino consiste en comparar en un punto fijo las partÃculas de platino antes de la reacción y después de la reacción. Mediante este método, se descubrió que, después de la reacción, las nanopartÃculas de platino eran más gruesas y presentaban una menor reactividad. No obstante, solo se pueden plantear hipótesis en cuanto a esta reducción, por la imposibilidad de observar los procesos que dan lugar a ese engrosamiento.
En cambio, la nueva técnica de observación emplea una nueva muestra observable de menor escala, que puede simular el entorno y las condiciones exactas que se producen en las pilas de combustible. Esto, junto con un nuevo método de aplicación de voltaje a las muestras montadas en un microscopio electrónico de transmisión, permite observar el proceso de engrosamiento en tiempo real todas las fases de la generación eléctrica. Un microscopio electrónico de transmisión es un dispositivo que permite la observación y el análisis de materiales de tamaño atómico (0,1 nm).
Las imágenes a continuación muestran el engrosamiento de las nanopartÃculas de platino:
Las lÃneas de puntos muestran el engrosamiento de las nanopartÃculas de platino sobre un portador de carbono. Los partÃculas de platino se han desplazado y unido para formar nanopartÃculas de platino más grandes y gruesas.
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