El crecimiento en la fabricación y uso de vehículos híbridos y eléctricos está contribuyendo de manera significativa a los esfuerzos por descarbonizar la industria del transporte. Si bien los automóviles y vehículos más pequeños pueden ser alimentados a través de baterías de litio, electrificar vehículos pesados, como camiones y autobuses de gran tamaño, ha sido un desafío considerable hasta el momento.
Las pilas de combustible, dispositivos que generan electricidad a través de reacciones químicas, representan una solución prometedora para la electrificación de vehículos pesados. La mayoría de las pilas de combustible utilizadas hasta ahora son las llamadas pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC), que generan electricidad mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno, conduciendo protones desde su ánodo hasta su cátodo a través de una membrana polimérica sólida.
A pesar de su potencial, muchas pilas de combustible existentes presentan vidas útiles y eficiencias limitadas, lo que ha impedido su adopción generalizada en la fabricación de camiones eléctricos o híbridos y otros vehículos pesados.
Desarrollo de un nuevo nano-catalizador
Un grupo de investigación de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), liderado por la profesora Yu Huang, ha diseñado recientemente un nuevo nano-catalizador a base de platino (Pt), un material que acelera las reacciones químicas y que podría ayudar a mejorar la eficiencia y durabilidad de las pilas de combustible. Este catalizador, presentado en un artículo publicado en Nature Nanotechnology, está compuesto por nanopartículas de Pt protegidas por nanopockets de grafeno y soportadas en una forma de carbono conocida como Ketjenblack.
“Nuestra investigación surgió de una necesidad urgente de descarbonizar los vehículos pesados (HDVs), como los camiones de larga distancia, que requieren un rango operativo y durabilidad extendidos”, comentó Huang. “Las pilas de combustible representan una solución prometedora para electrificar los HDVs debido a su superior densidad de energía específica en comparación con las baterías. Sin embargo, un obstáculo importante es la estabilidad del catalizador”.
Los metales como el platino y otros metales aleados que se utilizan comúnmente para fabricar catalizadores de las PEMFC tienden a disolverse gradualmente, y algunos de sus átomos se redepositan en otras partículas, causando que estas se agranden. Este proceso reduce el área del catalizador que puede acelerar las reacciones en las pilas de combustible, lo que finalmente provoca una disminución en su rendimiento a lo largo del tiempo.
“Motivados por este desafío, nuestro equipo en UCLA desarrolló un catalizador a base de Pt con una estructura innovadora, protectora pero permeable”, explicó Huang. “Nuestro objetivo principal era diseñar una arquitectura de catalizador que prevenga eficazmente la disolución del metal y mantenga una alta actividad catalítica durante un uso prolongado”.
El nuevo nano-catalizador a base de Pt desarrollado por Huang y sus colegas presenta un diseño único que ralentiza su degradación a lo largo del tiempo. Este catalizador consiste en nanopartículas de Pt ultrafinas envueltas en finas capas protectoras de grafeno, conocidas como nanopockets de grafeno.
“Estos nanopockets de grafeno protegen las nanopartículas de platino de disolverse y aglomerarse”, explicó Zeyan Liu, co-primer autor del artículo. “Además, estas nanopartículas protegidas están confinadas dentro de los poros de un soporte de carbono, lo que mejora significativamente la estabilidad y durabilidad bajo condiciones operativas severas”.
La reciente investigación presentó un catalizador alternativo que podría aumentar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible, ya que no se deteriora rápidamente como muchos de los catalizadores introducidos en el pasado. En pruebas iniciales, el nuevo nano-catalizador a base de Pt mostró resultados muy prometedores, ya que las pilas de combustible que lo incorporaron presentaron una estabilidad sin precedentes, manteniendo a la vez una alta actividad catalítica y eficiencia.
“El catalizador demostró un rendimiento excepcional, incluyendo una actividad de masa inicial de 0.74 A mg⁻¹ y una densidad de potencia nominal de 1.08 W cm⁻²”, explicó Bosi Peng, co-primer autor del artículo. “Remarkablemente, el catalizador experimentó menos del 1.1% de pérdida de potencia después de someterse a una rigurosa prueba de estrés acelerado de 90,000 ciclos de voltaje. Estas métricas sugieren una vida útil proyectada de la pila de combustible que supera las 200,000 horas, superando significativamente los objetivos actuales del Departamento de Energía para las pilas de combustible pesadas”.
En el futuro, el nuevo catalizador diseñado por Huang y sus colegas podría ser utilizado para desarrollar pilas de combustible basadas en hidrógeno altamente eficientes y duraderas. Estas pilas de combustible, a su vez, podrían utilizarse para alimentar varios vehículos pesados, contribuyendo así a los esfuerzos en curso para reducir las emisiones de carbono.
“Nuestro estudio representa un avance significativo en la reducción de emisiones y la mejora de la economía de combustible en sectores del transporte que contribuyen en gran medida al consumo de energía y al impacto ambiental”, añadió Huang. “Más allá de mejorar aún más la actividad y durabilidad del catalizador de platino, nuestro objetivo es centrar la investigación futura en optimizar toda la estructura del electrodo del catalizador para mejorar aún más el rendimiento de la pila de combustible”.
El grupo de investigación de Huang en UCLA está ahora llevando a cabo más investigaciones con el objetivo de mejorar y avanzar en las pilas de combustible. Sus esfuerzos se centran actualmente en la mejora de los ensamblajes de electrodos de membrana, el componente central de las PEMFC.
