El platino: el catalizador en las pilas de combustible
Uno de los materiales que forma parte de las pilas de combustible de hidrógeno es el platino, su misión es actuar como catalizador, de esa manera se usa para incrementar la velocidad de la reacción química, ayuda a la pila a conseguir más energía lo más rápidamente posible.
Siendo la reacción de caracter electroquímica, el platino se deposita en electrodos porosos, y como electrocatalizador para promover la velocidad de las reacciones electroquímicas requeridas para alentar al H2 a liberar electrones y convertirse en iones H2.
El platino actúa como un catalizador eficaz y duradero en los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) que funcionan con hidrógeno y utilizan un tipo de celda de combustible conocida como membrana electrolítica de polímero (PEM).
El éxito de Platinum se ha atribuido durante mucho tiempo a su energía vinculante. Los catalizadores ideales se aferran a las moléculas que reaccionan ni demasiado sueltas ni demasiado apretadas, sino en algún punto intermedio. Une las moléculas con demasiada holgura y es difícil iniciar una reacción.
El coste del platino en una pila de combustible se estima en 30 % del costo total de la pila de combustible. Hasta el momento es el material del cual se depende porque es el que mas potencia energética puede aportar en el rendimiento de la pila. El platino es un metal precioso y su precio es tan alto como el precio del oro. Además de precio alto es un metal escaso, y se conoce que la producción anual promedio en el mundo es de 200 Tn.
Como catalizador, el platino está presente en forma de nanopartículas (de algunos nanometros de tamaño) adheridas a la superficie de las nanoparticulas de carbón (de decenas de nanometros de diámetro), mezclados con el polímero conductor de iones o electrodos. Esta capa catalítica tiene un espesor de decenas de micras, como se ilustra en las figuras 4.1. La figura 4.2 ilustra las nanoparticulas de platino adheridas a las nanoparticulas de negro de humo, estos mezclados en forma de capa se ubica entre la membrana de intercambio de protónes (PEM) y la capa difusora de gas (GDL) en el cátodo.
Figura 4.1 Distribución del catalizador de platino en los electrodos.
El platino es hasta 40% mas caro que el oro, esto explica porqué el precio de las pilas de combustibles es relativamente alto.
Otro metal que es un buen catalizador para estos fines es el paladio que también es más caro que el oro. El rodio también se muestra como buen catalizador. El platino y rodio son de amplio uso en los reactores cataliticos que utilizan los tubos de escape de los coches así como otros dispositivos electrónicos. El paladio nunca ha sido un metal barato. Es escaso y tiene un sinfín de aplicaciones.
Figura 4.2 Distribución del catalizador de platino en el cátodo
Científicos del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) del Laboratorio Nacional de Argonne, científicos e ingenieros de Argonne, Purdue University y Shanghai Jiao Tong University han desarrollado una síntesis que consiste en convertir una estructura metalorgánica porosa que contiene cobalto en un sustrato catalíticamente activo que contiene cobalto, nitrógeno y carbono decorado con cristalitos metálicos de tamaño nanométrico, y luego agregar platino para formar nanopartículas de platino-cobalto con una estructura de núcleo-capa que se confirma mediante mediciones de microscopio electrónico. Estos catalizadores contienen solo alrededor del 3% de platino en peso, en contraste con los catalizadores de celdas de combustible comerciales que contienen del 20% al 30% de platino. El equipo evaluó el rendimiento del catalizador en condiciones operativas de PEMFC. Los resultados muestran una actividad catalítica significativamente mejorada (con valores de 1,08 a 1,77 A mgPt-1, superando el objetivo del Departamento de Energía de 2025 de 0,44 A mgPt-1) y durabilidad (reteniendo hasta el 64 % de los valores iniciales después de 30 000 ciclos de voltaje). El modelado computacional reveló que la interacción entre las nanopartículas de platino-cobalto y los sitios libres de PGM contribuyen a la mejoras.
Por otro lado, Químicos de la Universidad de Buffalo han diseñado un nuevo catalizador para pilas de combustible de hidrógeno. Hecho a través de un proceso llamado autoensamblaje molecular, el catalizador algún día podría ayudar a reducir el precio de los automóviles de hidrógeno (ver video).