Hidrógeno para el transporte

Escribe Alejandro Manrique, Agencia CyTA – Instituto
Leloir

Investigadores de Estados Unidos descubrieron un nuevo tipo de aleación que se usaría como
catalizador en las celdas de combustible de hidrógeno aplicadas a los vehículos de transporte. El nuevo material permitiría ampliar en
90 veces la eficiencia de los que se utilizan actualmente.

El desarrollo de celdas de combustible para vehículos, el gran objetivo ecológico para la energía del transporte, está cada vez más
cerca. La aplicación masiva de las celdas de combustible, como base para una economía de energía basada en el hidrógeno, es un
concepto clave para satisfacer las demandas de energía mundial y al mismo tiempo reducir las emisiones de gases de efecto invernadero
y por lo tanto el calentamiento global.

La lentitud de la reacción de reducción del oxígeno en el cátodo -electrodo con carga positiva de una celda de combustible-, ha sido
un factor importante que obstaculizó el desarrollo de las celdas de combustible PEM (membrana de electrolito de polímero), que se
emplean especialmente en vehículos impulsados por hidrógeno.

Científicos del Lawrence Berkeley National Laboratory y Argonne National Laboratory del Departamento de Energía de los Estados Unidos,
han identificado una nueva variación de la aleación platino-níquel que se comporta como el más activo catalizador de la reducción de
oxígeno que se haya conocido hasta ahora.

Vojislav Stamenkovic, científico de la división de ciencias de los materiales tanto del laboratorio Berkeley como de Argonne, explicó:
?Las limitaciones existentes que enfrentan las aplicaciones de la tecnología de celdas de combustible PEM en el sector del transporte,
podrían ser eliminadas con el desarrollo de catalizadores de cátodos estables con un incremento de varios órdenes de magnitud en la
actividad por sobre los más modernos catalizadores de hoy en día, y eso es precisamente lo que nuestro descubrimiento tiene el
potencial de proporcionar?.

Stamenkovic y su colega Nenad Markovic, del laboratorio Argonne, son los autores principales del estudio que publicaron en Science
Express el mes pasado. El trabajo, establece que una aleación de platino-níquel incrementó la actividad catalítica del cátodo de una
celda de combustible en unas 90 veces por sobre los catalizadores de platino-carbono que se usan en la actualidad.

Además de Stamenkovic y Markovic, los otros autores del trabajo son: Philip Ross y Bongjin Mun, del Laboratorio Berkeley; Ben Fowler y
Christopher Lucas, de la Universidad Liverpool de Inglaterra; y Guofeng Wang, de la Universidad de Carolina del Sur.

Celdas de combustible tipo PEM

Al convertir la energía química en energía eléctrica sin ninguna combustión, las celdas de combustible representan la tecnología más
limpia y eficiente para generar electricidad. Esto es especialmente cierto para las celdas de combustible diseñadas para funcionar
directamente con hidrógeno, ya que producen solamente agua y calor como subproducto.

Se especula que las celdas de combustible de hidrógeno que más se usarían en los vehículos son las de tipo PEM (también conocidas como
celdas de combustible de ?membrana de intercambio de protones?), dado que pueden suministrar alta potencia en relación con el pequeño
peso y tamaño del dispositivo. Las celdas de combustible tipo PEM no requieren recarga, como las baterías convencionales, pero
necesitan un suministro constante de hidrógeno y oxígeno de la atmósfera.

Una celda de combustible tipo PEM consiste en un ánodo (electrodo cargado negativamente) y un cátodo (electrodo cargado
positivamente), que están ubicados a ambos lados de una membrana de electrolito de polímero, sustancia especialmente tratada que
conduce los protones (con carga positiva) y bloquea los electrones (con carga negativa).

En las celdas de combustible tienen lugar dos reacciones: una reacción de oxidación en el ánodo y una reacción de reducción en el
cátodo. Esto significa, para el caso de las de tipo PEM, que las moléculas de hidrógeno se separan en protones y electrones en el
ánodo. Mientras que los protones pasan a través de la membrana, los electrones bloqueados se hacen pasar por un conductor (es decir,
corriente eléctrica) y se llevan al cátodo. Allí, los electrones se combinan con los protones que pasaron por la membrana y los átomos
de oxígeno para producir agua. El oxígeno proviene de las moléculas de oxígeno del aire, que son separadas en pares de átomos de
oxígeno por el catalizador del cátodo.

La aleación platino-níquel

Las celdas de combustible tipo PEM resultan muy caras para el uso en automóviles u otras aplicaciones, dado que el principal factor de
costo es la dependencia del platino que se usa como catalizador del cátodo.

Mientras que el platino puro es un excelente catalizador activo, es costoso y su rendimiento puede degradarse rápidamente por la
creación de subproductos no deseados, tales como iones de hidróxidos. Los hidróxidos poseen una afinidad para combinarse con los
átomos de platino y quitarles protagonismo en la catálisis. A medida que esto ocurre, las propiedades catalíticas del cátodo
disminuyen notablemente.

Para subsanar este problema, se viene investigando el uso de aleaciones de platino en combinación con una técnica de enriquecimiento
de la superficie. De esta forma, la superficie del cátodo se cubre con una capa de átomos de platino mientras que debajo se tienen
capas de platino y un metal no precioso, como cobalto o níquel. Esta aleación bajo la superficie, interactúa con la capa de modo que
aumente el rendimiento del cátodo.

Para el estudio, Stamenkovic y Markovic crearon cristales puros de aleaciones de platino-níquel a lo largo de redes cristalinas en una
cámara de alto vacío. Luego usaron una combinación de muestras variables con superficies y técnicas electroquímicas, para así medir
las propiedades de los cristales y su capacidad como catalizador en la reacción de reducción de oxígeno, cuya actividad en cada
muestra se comparó posteriormente a la de cristales de platino y catalizadores de platino-carbono.

Los investigadores identificaron que la configuración de la aleación platino-níquel era la que ofrecía la más alta actividad en la
reacción de reducción de oxígeno que se haya detectado para un catalizador del cátodo: 10 veces mejor que una superficie de aluminio
puro y 90 veces mejor que en el platino-carbono.

En el caso de la distribución usada, la superficie es una capa de átomos de platino extremadamente ?apretujados? que yacen en la parte
superior de la capa, que está constituida por igual cantidad de átomos de platino y níquel. Todas las capas subyacentes consisten en
tres átomos de platino por cada átomo de níquel.

De acuerdo a Stamenkovic, la configuración Pt3Ni (111) actúa como un atenuante de los hidróxidos y otras moléculas que tienen afinidad
con el platino, evitando así las interacciones con la superficie del cátodo y su degradación progresiva y permitiendo una mayor
actividad de reacción de reducción de oxígeno.

?Hemos identificado una superficie que es capaz de lograr la catálisis e incluso superar los valores esperados, con una estabilidad
mejorada en la reacción catódica de las celdas de combustible?, destacó Stamenkovic, quien agregó: ?Aunque la aleación de
platino-níquel es bien conocida, pudimos controlar y ajustar parámetros clave que nos permitieron hacer este descubrimiento?.

?Esta superficie fija un nuevo límite para la actividad catalítica en las celdas de combustible PEM y hace posible cumplir con los
objetivos del Departamento de Energía de los Estados Unidos para las densidades de potencia específicas del platino, sin una reducción
de la tensión eléctrica en la celda?, dijo Stamenkovic.

El próximo paso, según este investigador, será lograr catalizadores a pequeña escala con propiedades electrónicas y morfológicas que
imiten las superficies de los cristales de la aleación platino-níquel empleada.

Agencia CyTA – Instituto
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