Un ánodo de níquel recubierto de carbono dopado con nitrógeno puede catalizar una reacción esencial en las celdas de combustible de hidrógeno a una fracción del costo de los metales preciosos que se usan actualmente. Se trata de un nuevo descubrimiento de la Universidad de Cornell que podría acelerar el uso generalizado de las pilas de combustible de hidrógeno, muy prometedoras como fuentes de energía limpias y eficientes para vehículos y otras aplicaciones; exactamente uno de una serie de descubrimientos del laboratorio Héctor D. Abruña en su búsqueda continua de catalizadores activos, económicos y duraderos para su uso en celdas de combustible alcalino. Los resultados se publicaron el 21 de marzo en "una celda de combustible alcalina completamente libre de metales preciosos con rendimiento mejorado usando un ánodo de níquel recubierto de carbono", en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Actualmente se requieren metales preciosos costosos, como el platino, en las celdas de combustible de hidrógeno para catalizar de manera eficiente las reacciones que emplean para producir electricidad. Aunque las celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero alcalino permiten el uso de electrocatalizadores de metales no preciosos, carecen del rendimiento y la durabilidad necesarios para reemplazar los sistemas basados en metales preciosos. Una celda de combustible produce electricidad a través de la reacción de oxidación de hidrógeno (HOR) y una reacción de reducción de oxígeno (OOR). El platino, en particular, es un catalizador modelo para ambas reacciones porque las cataliza de manera eficiente y es duradero en el ambiente ácido de una celda de combustible PEM.
Los experimentos recientes con electrocatalizadores HOR de metales no preciosos necesitaban superar dos desafíos principales, escribieron los investigadores: baja actividad intrínseca debido a una energía de enlace de hidrógeno demasiado fuerte y poca durabilidad debido a la rápida pasivación de la formación de óxido metálico. Para superar estos desafíos, los investigadores diseñaron un electrocatalizador a base de níquel con una cubierta de dos nanómetros hecha de carbono dopado con nitrógeno.
Su celda de combustible de hidrógeno tiene un catalizador de ánodo (donde se oxida el hidrógeno) que consiste en un núcleo sólido de níquel rodeado por una capa de carbono. Cuando se combina con un cátodo de cobalto-manganeso (donde se reduce el oxígeno), la celda de combustible de hidrógeno resultante completamente libre de metales preciosos produce más de 200 milivatios por centímetro cuadrado. La presencia de especies de óxido de níquel en la superficie del electrodo de níquel ralentiza drásticamente la reacción de oxidación del hidrógeno. El recubrimiento de carbono dopado con nitrógeno sirve como capa protectora y mejora la cinética HOR, lo que hace que la reacción sea más rápida y mucho más eficiente. Además, la presencia del revestimiento de grafeno en el electrodo de níquel evita la formación de óxidos de níquel, lo que da como resultado electrodos con una vida útil mucho mayor. Estos electrodos también son mucho más tolerantes al monóxido de carbono, que envenena rápidamente al platino.
Investigación
Los coautores incluyen a Francis DiSalvo , profesor emérito de química de John A. Newman; Yao Yang, PhD '21; David Muller , profesor de ingeniería Samuel B. Eckert en la Facultad de ingeniería y codirector del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala, así como colaboradores de la Universidad de Wuhan en el laboratorio de Lin Zhuang y la Universidad de Wisconsin, Madison con Manos Mavrikakis. La financiación para esta investigación fue proporcionado por el Centro de Soluciones Energéticas de Base Alcalina, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Las instalaciones de STEM en el Centro de Investigación de Materiales de Cornell cuentan con el respaldo del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias. El trabajo computacional se realizó parcialmente utilizando recursos de supercomputadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética y en el Centro de Materiales a Nanoescala en el Laboratorio Nacional de Argonne.
