Un mejor catalizador de platino para pilas de combustible

Un nuevo tipo de catalizador puede dar lugar a células de combustible que utilicen una quinta parte del platino que usan actualmente. El nuevo material, desarrollado por un grupo de investigadores de la Universidad de Houston, la Universidad Técnica de Berlín en Alemania, y el Laboratorio Nacional de Aceleración (SLAC) del Departamento de Energía con sede en Menlo Park, California, está formado por nanopartículas con sus núcleos constituidos por una aleación de cobre y platino y un envoltorio exterior prácticamente todo de platino. Este material es hasta cinco veces más eficiente que el platino normal.

El platino y las aleaciones de platino son los catalizadores más eficientes para acelerar las reacciones químicas en las células de combustible de hidrógeno. El platino es el único metal que puede resistir las condiciones ácidas en el interior de una celda, pero es caro, y esto ha limitado la amplia gama de aplicaciones a gran escala de las pilas de combustible. Por otra parte, alrededor del 90 por ciento del suministro de platino del mundo proviene de sólo dos países--Sudáfrica y Rusia.

El nuevo material ya cumple con el objetivo del Departamento de Energía de los EE.UU. para 2015 con respecto a los catalizadores de platino: producir al menos 0,44 amperios de corriente eléctrica por un miligramo de platino. El material en cuestión produce hasta 0,49 amperios por miligramo de platino y los investigadores creen que debería ser posible aumentar la actividad catalítica del material aún más. "Si pudiéramos conseguir otro factor de dos [mejora de la actividad catalítica], pensamos que el coste del platino en estas células de combustible podría hacer la tecnología más práctica", afirma el físico del SLAC Anders Nilsson.

"Éste es un trabajo excelente que debería permitirnos utilizar menos platino en las pilas de combustible", afirma Jean-Pol Dodelet, profesor de energía, materiales y telecomunicaciones en el Instituto National de la Investigación Científica (INRS por sus siglas en francés) con sede en Quebec.

En el ánodo de una pila de combustible de membrana de intercambio de protones convencional (PEM), el catalizador rompe el hidrógeno en iones hidrógeno y electrones, con lo cual estos últimos fluyen fuera de la célula para crear corriente eléctrica. En el cátodo, las moléculas de oxígeno se combinan con electrones e iones hidrógeno para formar agua. Esta reacción es lenta y acelerarla requiere 10 veces más de platino que el usado en el ánodo. "Si usted está tratando de reemplazar el platino, es más importante reemplazar el platino del cátodo", señala Dodelet.

Peter Strasser, profesor de ingeniería química en ambas la Universidad de Houston y la Universidad Técnica de Berlín, comenzó a trabajar en un nuevo tipo de catalizador en el 2005, depositando nanopartículas de una aleación de cobre y platino sobre unos soportes de carbono. Cuando se aplica una corriente alterna cíclica sobre este material, el cobre se separa de la zona superficial, dando a las nanopartículas una capa externa rica en platino.

En un artículo reciente publicado en Nature Chemistry, los investigadores revelan el mecanismo que hace que este catalizador sea más activo que el platino convencional. Al estudiar cómo los haces de rayos X son dispersados por el nuevo catalizador, descubrieron que la distancia entre los átomos de platino restantes sobre la superficie de las nanopartículas es menor que la distancia en las nanopartículas de platino puro. Un buen catalizador debe ser capaz de dividir las moléculas de oxígeno en átomos, pero no puede enlazarse demasiado fuertemente con los átomos libres; la distancia más corta entre los átomos de platino en el nuevo material lo convierte en un catalizador más eficaz porque se une aún más débilmente con los átomos de oxígeno.

Existen alternativas al uso de platino como catalizador. Dodelet y su grupo han trabajado con General Motors para desarrollar un prometedor catalizador basado en el hierro que actualmente están trabajando en comercializar. Mientras tanto, se están desarrollando catalizadores de nanotubos de carbono de bajo coste y también catalizadores de níquel para la química de pilas de combustible alcalinas.

Los catalizadores libres de platino tienen otras ventajas aparte de su bajo coste, señala Liming Dai, profesor de ingeniería de materiales de la Universidad de Dayton, Ohio, que está trabajando en catalizadores de nanotubos de carbono. Las nanopartículas de platino tienden a perder su eficacia catalítica agregándose con el tiempo en partículas más grandes o cuando el monóxido de carbono se adhiere a su superficie. Los nanotubos de carbono son más robustos a largo plazo, afirma Dai.

"Éste es un trabajo interesante y un avance importante porque el mecanismo se podría aplicar a otros catalizadores", afirma Dai sobre el nuevo catalizador de platino. "Sería interesante comprobar su estabilidad a largo plazo y el efecto del envenenamiento por monóxido de carbono [en la superficie] en este tipo de catalizador núcleo-caparazón."

Strasser coincide en que el nuevo catalizador requerirá más pruebas. Sin embargo, el mayor tamaño de las partículas núcleo-caparazón las hace intrínsecamente más estables que el platino puro, afirma él. La elección de este metal también hace una diferencia. "Estamos seguros de que los metales alternativos al platino en el núcleo, como el cobalto o níquel, resolverán el problema de la estabilidad, manteniendo la ventaja de la actividad de la estructura núcleo-caparazón", afirma Strasser.

El nuevo material también ha sido probado en pilas de combustible reales, lo que podría ser una ventaja de mercado crucial. "La mayoría de estos otros catalizadores fueron medidos en medidas electroquímicas", señala éste. "Es cierto que tienen potencial para ser usados en el futuro, pero esto [el nuevo catalizador] es algo que se puede poner hoy mismo en células de combustible reales."

Fuentes: Technology Review