Las celdas de combustible son una alternativa atractiva a las baterías de litio debido a su mayor rango de conducción, capacidades de recarga rápida, peso más ligero y menor volumen, pero hace falta encontrar formas más económicas de separar y almacenar hidrógeno. Los ingenieros de la Universidad de Illinois Chicago forman parte de un equipo de colaboración que ha desarrollado un material que podría dar a los sistemas de celdas de combustible una ventaja competitiva sobre los sistemas de baterías que actualmente alimentan a la mayoría de los vehículos eléctricos, utilizando un aditivo de partículas «secuestrantes» o «carroñeras».
Las nanopartículas carroñeras podrían hacer realidad los vehículos impulsados por celdas de combustible
A diferencia de las baterías de litio, la tecnología de celdas de combustible se basa en reacciones químicas impulsadas por catalizadores para crear energía. Las baterías de litio generalmente pueden alcanzar un rango de 150 a 450 kilómetros con una sola carga, pero también son vulnerables al alto costo de los materiales y la fabricación del cátodo y requieren varias horas para cargarse. Alternativamente, los sistemas de celdas de combustible aprovechan elementos abundantes como el oxígeno y el hidrógeno y pueden alcanzar más de 600 kilómetros con una sola carga, lo que se puede hacer en menos de cinco minutos.
Desafortunadamente, los catalizadores utilizados para impulsar sus reacciones están hechos de materiales que son demasiado caros (es decir, platino) o se degradan demasiado rápido para ser prácticos.
Hasta ahora, eso es así, pero con el desarrollo del nuevo material aditivo, los científicos pueden hacer que un catalizador económico de celdas de combustible de hierro, nitrógeno y carbono sea más duradero. Cuando se agrega a las reacciones químicas, el material aditivo protege los sistemas de celdas de combustible de dos de sus subproductos más corrosivos: partículas inestables como átomos, moléculas o iones llamados radicales libres y peróxido de hidrógeno.
Los hallazgos de sus experimentos se informan en la revista científica Nature Energy. En el artículo, Reza Shahbazian-Yassar, profesora de ingeniería mecánica e industrial en la Facultad de Ingeniería de la UIC, y sus colegas describen cómo utilizaron técnicas de imagen avanzadas para investigar las reacciones con el material, un aditivo compuesto por nanopartículas de óxido de tantalio y titanio que eliminan y desactivan los radicales libres. Las imágenes de alta resolución de las estructuras atómicas permitieron a los científicos definir los parámetros estructurales necesarios para que el aditivo funcione.
«En nuestro laboratorio, podemos usar la microscopía electrónica para capturar imágenes de resolución atómica muy detalladas de los materiales en una variedad de condiciones de servicio», dijo el coautor del estudio, Shahbazian-Yassar. “A través de nuestras investigaciones estructurales, aprendimos lo que estaba sucediendo en la estructura atómica de los aditivos y pudimos identificar el tamaño y las dimensiones de las nanopartículas secuestrantes, la proporción de tantalio y óxido de titanio. Esto condujo a una comprensión del estado correcto de la aleación de solución sólida necesaria para que el aditivo protegiera la celda de combustible contra la corrosión y la degradación”.
Los experimentos revelaron que se requiere una solución sólida de tantalio y óxido de titanio y que las nanopartículas deben tener alrededor de cinco nanómetros. Los experimentos también revelaron que se requiere una proporción de 6-4 de tantalio a óxido de titanio.
“La proporción es la clave para las propiedades de eliminación de radicales del material de nanopartículas y la solución de estado sólido ayudó a mantener la estructura del medio ambiente”, dijo Shahbazian-Yassar.
Los experimentos demostraron que cuando el material de nanopartículas carroñeras (scavenger nanoparticle en el original) se agregaba a las reacciones de los sistemas de celdas de combustible, la producción de peróxido de hidrógeno se suprimía a menos del 2 % (una reducción del 51 %) y la disminución de la densidad de corriente de las celdas de combustible se reducía del 33 % a solo 3 %.
“Las celdas de combustible son una alternativa atractiva a las baterías debido a su mayor rango de conducción, capacidades de recarga rápida, peso más ligero y menor volumen, siempre que podamos encontrar formas más económicas de separar y almacenar hidrógeno”, dijo Shahbazian-Yassar. “En este documento, informamos sobre un enfoque que nos acerca mucho más a hacer realidad los vehículos impulsados por celdas de combustible y otras tecnologías de celdas de combustible”.
El artículo se titula » Nanopartículas de Ta-TiOx como eliminadores de radicales para mejorar la durabilidad de los catalizadores de reducción de oxígeno de Fe-N-C», “Ta–TiOx nanoparticles as radical scavengers to improve the durability of Fe–N–C oxygen reduction catalysts,” y del mismo es coautor de Abhijit Phakatkar de UIC y los coautores correspondientes Guoxiang Hu de Queens College of the City University. de Nueva York, Yuyan Shao del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y Liangbing Hu de la Universidad de Maryland. Otros coautores son Hua Xie, Xiaohong Xie, Venkateshkumar Prabhakaran, Sulay Saha, Lorelis Gonzalez-Lopez, Min Hong, Meiling Wu, Vijay Ramani, Mohamad Al-Sheikhly y De-en Jiang.
El Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y el Nanocentro de Maryland apoyaron la investigación.
Fuente: University of illinois Chicago
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