Un gran avance en la observación en tiempo real de la degradación del catalizador de pila de combustible podría llevar a una nueva generación de pilas de células de combustible más eficientes y duraderos.
Toyota Motor Corporation y Japón Bellas Cerámica Center (JFCC) han desarrollado una nueva técnica de observación que permite a los investigadores para supervisar el comportamiento de las partículas de tamaño nanométrico de platino durante las reacciones químicas en las células de combustible, por lo que se pueden observar los procesos que conducen a la reducción de la reactividad catalítica.
El platino es un catalizador esencial para las reacciones químicas productoras de electricidad que ocurren entre el oxígeno y el hidrógeno en pilas de células de combustible. Reactividad reducida es el resultado de "engrosamiento" de nanopartículas de platino-un proceso por el cual las nanopartículas aumentan de tamaño y disminuyen en área de superficie. Hasta ahora, sin embargo, no ha sido posible observar los procesos que conducen a engrosamiento, por lo que es difícil analizar las causas profundas.
El nuevo método de observación puede habilitar la detección de los puntos sobre el soporte de carbono donde platino embrutece, así como el nivel de salida de tensión durante el proceso de engrosamiento. El método también puede ayudar a determinar las diferentes características de varios tipos de materiales de soporte. Este análisis de todos los aspectos puede proporcionar dirección a la I + D centrado en mejorar el rendimiento y la durabilidad del catalizador de platino, y de la pila de células de combustible.
Antecedentes de las actividades de investigación
Las pilas de combustible generan electricidad a través de la reacción química del gas de hidrógeno a bordo con el oxígeno en el aire. Más específicamente, cada célula individual genera electricidad a través de la reacción química entre cada cátodo de oxígeno y el ánodo de hidrógeno, con agua producida como subproducto.
Durante la reacción química, las moléculas de hidrógeno se separan en electrones y iones de hidrógeno en el ánodo de hidrógeno, donde el catalizador de platino despoja de los electrones de la molécula de hidrógeno. Los electrones viajan al cátodo de oxígeno, la generación de electricidad para alimentar el motor. Mientras tanto, los iones de hidrógeno se cruzan una membrana de polímero para alcanzar el cátodo de oxígeno, donde el agua se produce como un subproducto de iones de hidrógeno y electrones está expuesto al oxígeno en el aire. Platinum también funciona como catalizador para esta reacción.
El platino es esencial para la generación de electricidad en las pilas de combustible, que juega un papel vital en el aumento de la eficiencia de la generación de electricidad de pila de combustible.
Sin embargo, el platino es escaso y costoso. Además, como se genera la electricidad, las nanopartículas de platino endurecen, lo que disminuye la producción de células de combustible. Con el fin de prevenir el engrosamiento y mantener el rendimiento catalítico, el comportamiento subyacente en el proceso de engrosamiento debe ser identificado. Sin embargo, la escala de minutos de las nanopartículas de platino hace la observación a través de medios convencionales difíciles.
Características de la técnica de observación recién desarrollada
El método convencional de observación de nanopartículas de platino es una comparación de punto fijo de partículas de platino pre-reacción con partículas de post-reacción. A través de este método, se descubrió que las nanopartículas de platino post-reacción son más gruesa con reactividad reducida. Pero, las causas de esta reducción sólo puede ser la hipótesis debido a la imposibilidad de observar los procesos conductuales que conducen al engrosamiento.
En contraste, la nueva técnica de observación implica una nueva escala reducida muestra observable que puede simular el entorno y las condiciones que ocurren en las células de combustible exacta. Esto, además de un método recientemente desarrollado de la aplicación de voltaje a las muestras montadas dentro de un microscopio electrónico de transmisión, permite que el proceso de engrosamiento que se observó en tiempo real en todas las etapas como se genera la electricidad. Un microscopio electrónico de transmisión es un microscopio capaz de observación y de análisis (0,1 nm) materiales atómicos de tamaño.
Las siguientes imágenes muestran el engrosamiento de las nanopartículas de platino:
Las líneas de puntos muestran el engrosamiento de nanopartículas de platino en la parte superior de un soporte de carbono. Las partículas de platino han movido y se unieron formando grandes, nanopartículas de platino más gruesas.
