Nueva técnica podría hacer que las pilas de combustible sean más baratas y duraderas
En el estudio publicado en Science Advances, investigadores de la Facultad de Química de la Universidad Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) muestran que es posible «hacer crecer» secuencialmente estructuras jerárquicas interconectadas en 3D a nanoescala que tienen propiedades químicas y físicas únicas para apoyar las reacciones de conversión de energía.
En química, las estructuras jerárquicas son configuraciones de unidades como moléculas dentro de una organización de otras unidades que a su vez pueden ordenarse.
Se pueden ver fenómenos similares en el mundo natural, como en los pétalos de las flores y las ramas de los árboles. Pero donde estas estructuras tienen un potencial extraordinario es en un nivel más allá de la visibilidad del ojo humano: en la nanoescala.
Usando métodos convencionales, a los científicos les resultó difícil replicar estas estructuras 3D con componentes metálicos a nanoescala.
«Hasta la fecha, los científicos han podido ensamblar estructuras de tipo jerárquico a escala micrométrica o molecular», dice el profesor Richard Tilley, director de la Unidad de Microscopio Electrónico de la UNSW y autor principal del estudio.
«Pero para lograr el nivel de precisión necesario para ensamblar a nanoescala, necesitábamos desarrollar una metodología de abajo hacia arriba completamente nueva».
Los investigadores utilizaron la síntesis química, un enfoque que construye compuestos químicos complejos a partir de compuestos más simples. Se las arreglaron para hacer crecer cuidadosamente ramas de níquel con una estructura cristalina hexagonal en núcleos con una estructura cristalina cúbica para crear estructuras jerárquicas en 3D con dimensiones de alrededor de 10 a 20 nanómetros.
La nanoestructura 3D interconectada resultante tiene un área de superficie alta, alta conductividad debido a la conexión directa de un núcleo metálico y ramas, y tiene superficies que pueden modificarse químicamente.
Estas propiedades lo convierten en un electrocatalizador ideal, una sustancia que ayuda a acelerar la velocidad de las reacciones, en la reacción de evolución del oxígeno, un proceso crucial en la conversión de energía. Las propiedades de la nanoestructura se examinaron mediante análisis electroquímicos de microscopios electrónicos de última generación proporcionados por la unidad de microscopio electrónico.
«El crecimiento paso a paso del material contrasta con lo que hacemos cuando ensamblamos estructuras a nivel micrométrico, que es comenzar con material a granel y grabarlo», dice la autora principal del estudio, la Dra. Lucy Gloag, becaria postdoctoral en la Escuela. . de Química, Ciencias UNSW.
“Este nuevo método nos permite tener un excelente control sobre las condiciones, permitiéndonos mantener todos los componentes ultrapequeños, a nanoescala, donde existen propiedades catalíticas únicas”.
Nanocatalizadores en pilas de combustible
En los catalizadores convencionales, que suelen ser esféricos, la mayoría de los átomos están atrapados en el medio de la esfera. Hay muy pocos átomos en la superficie, lo que significa que la mayor parte del material se desperdicia porque no puede participar en el entorno de reacción.
Estas nuevas nanoestructuras 3D están diseñadas para exponer más átomos al entorno de reacción, lo que puede facilitar una catálisis más eficaz y eficiente para la conversión de energía, dice Tilley.
«Si esto se usa en una celda de combustible o batería, tener un área de superficie más alta para el catalizador significa que la reacción será más eficiente al convertir hidrógeno en electricidad», explicó Tilley.
El Dr. Gloag dice que esto significa que se debe usar menos material para la reacción.
“También terminará reduciendo costos, haciendo que la producción de energía sea más sostenible y, en última instancia, alejando aún más nuestra dependencia de los combustibles fósiles”.
En la próxima etapa de investigación, los científicos buscarán modificar la superficie del material con platino, que es un metal catalítico superior aunque más costoso. Alrededor de una sexta parte del costo de un automóvil eléctrico es el platino que alimenta la celda de combustible.
“Estas áreas de superficie excepcionalmente altas soportarían un material como el platino para formar capas en átomos individuales, por lo que tenemos el mejor uso absoluto de estos metales costosos en un entorno de reacción”, concluyó Tilley.
