Las películas de platino de solo dos átomos de espesor soportadas por el grafeno podrían permitir catalizadores de celdas de combustible con una actividad catalítica y una longevidad sin precedentes, según un estudio publicado recientemente por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.

El platino es uno de los catalizadores más utilizados para las celdas de combustible debido a la eficacia con la que permite la reacción de reducción de oxidación en el centro de la tecnología. Pero su alto costo ha estimulado los esfuerzos de investigación para encontrar formas de usar cantidades más pequeñas mientras se mantiene la misma actividad catalítica.

“Siempre habrá un costo inicial para producir una celda de combustible con catalizadores de platino, y es importante mantener ese costo lo más bajo posible”, dijo Faisal Alamgir, profesor asociado en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. “Pero el costo real de un sistema de celda de combustible se calcula por cuánto tiempo dura ese sistema, y ​​esta es una cuestión de durabilidad.

“Recientemente ha habido un impulso para usar sistemas catalíticos sin platino, pero el problema es que hasta ahora no se ha propuesto un sistema que coincida simultáneamente con la actividad catalítica y la durabilidad del platino”, dijo Alamgir.

Los investigadores de Georgia Tech probaron una estrategia diferente. En el estudio, que se publicó el 18 de septiembre en la revista Advanced Functional Materials y con el apoyo de la National Science Foundation, describen la creación de varios sistemas que utilizaron películas de platino atómicamente delgadas soportadas por una capa de grafeno, maximizando efectivamente el área de superficie total del platino disponible para reacciones catalíticas y utilizando una cantidad mucho menor del metal precioso.

La mayoría de los sistemas catalíticos basados ​​en platino usan nanopartículas del metal químicamente unidas a una superficie de soporte, donde los átomos de la superficie de las partículas realizan la mayor parte del trabajo catalítico, y el potencial catalítico de los átomos debajo de la superficie nunca se utiliza tan completamente como los átomos de la superficie. , como mucho.

Además, los investigadores mostraron que las nuevas películas de platino que tienen al menos dos átomos de espesor superaron al platino de nanopartículas en la energía de disociación, que es una medida del costo de energía de desalojar un átomo de platino superficial. Esa medición sugiere que esas películas podrían hacer sistemas catalíticos potencialmente más duraderos.

Para preparar las películas atómicamente delgadas, los investigadores utilizaron un proceso llamado deposición electroquímica de capa atómica para cultivar monocapas de platino en una capa de grafeno, creando muestras que tenían una, dos o tres capas atómicas de átomos. Luego, los investigadores probaron la energía de disociación de las muestras y compararon los resultados con la energía de un solo átomo de platino en el grafeno, así como con la energía de una configuración común de nanopartículas de platino utilizadas en catalizadores.

“La pregunta fundamental en el corazón de este trabajo fue si era posible que una combinación de enlaces metálicos y covalentes pudiera hacer que los átomos de platino en una combinación de platino-grafeno fueran más estables que sus contrapartes en el platino a granel utilizado comúnmente en catalizadores que son compatibles con unión metálica ”, dijo Seung Soon Jang, profesor asociado de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Los investigadores encontraron que el enlace entre los átomos de platino vecinos en la película esencialmente combina fuerzas con el enlace entre la película y la capa de grafeno para proporcionar refuerzo a través del sistema. Eso fue especialmente cierto en la película de platino que tenía dos átomos de espesor.

“Por lo general, las películas metálicas por debajo de cierto espesor no son estables porque los enlaces entre ellas no son direccionales y tienden a enrollarse entre sí y a conglomerarse para formar una partícula”, dijo Alamgir. “Pero eso no es cierto con el grafeno, que es estable en una forma bidimensional, incluso de un átomo de espesor, porque tiene enlaces direccionales covalentes muy fuertes entre sus átomos vecinos. Por lo tanto, este nuevo sistema catalítico podría aprovechar la unión direccional del grafeno para soportar una película de platino atómicamente delgada ”.

La investigación futura implicará pruebas adicionales de cómo se comportan las películas en un entorno catalítico. Los investigadores encontraron en investigaciones anteriores sobre películas de grafeno-platino que el material se comporta de manera similar en reacciones catalíticas, independientemente de qué lado – grafeno o platino – sea la superficie activa expuesta.

“En esta configuración, el grafeno no está actuando como una entidad separada del platino”, dijo Alamgir. “Están trabajando juntos como uno solo. Por lo tanto, creemos que si está exponiendo el lado del grafeno, obtendrá la misma actividad catalítica y podría proteger aún más el platino, lo que podría mejorar aún más la durabilidad “.

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation (NSF) en virtud de los números de subvención 1103827 y 106913. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de las organizaciones patrocinadoras.

CITA : Ji Il Choi, Ali Abdelhafiz, Parker Buntin, Adam Vitale, Alex Robertson, Jamie Warner, Seung Soon Jang y Faisal M. Alamgir, “Película contigua y atómicamente delgada de Pt con comportamiento supra-volumen a través de la epitaxia impuesta por grafeno”. (Materiales funcionales avanzados, septiembre de 2019). http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201902274