Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), que se están desarrollando para su uso en vehículos eléctricos, se basan en nanopartículas llamadas catalizadores para desencadenar reacciones que producen electricidad entre el hidrógeno y el oxígeno. La mayoría de los catalizadores PEMFC contienen platino, un metal escaso y precioso. Por lo tanto, existe una necesidad global apremiante de desarrollar catalizadores que puedan generar la mayor cantidad de energía y minimizar el contenido de platino.

Los fabricantes integran estos catalizadores en conjuntos complejos llamados capas de catalizador. Hasta ahora, tenían que hacerlo sin una imagen detallada de la estructura resultante, ya que los procesos de imagen tradicionales casi siempre causan algún grado de daño. Vasiliki Tileli, jefe del Laboratorio de caracterización de nanomateriales in situ con electrones de la Facultad de Ingeniería, ha encontrado una solución a este desafío. Al obtener imágenes de los catalizadores y su entorno a temperaturas bajo cero utilizando tomografía electrónica de transmisión criogénica y procesando las imágenes con aprendizaje profundo, ella y sus colegas lograron revelar, por primera vez, la estructura a nanoescala de las capas del catalizador.

« Todavía estamos lejos de las PEMFC sin platino, que es muy costosa, por lo que, a corto plazo, debemos reducir la carga de platino para que esta tecnología sea viable para la producción en masa. Por lo tanto, es imperativo comprender cómo se ubica el platino en relación con otros materiales dentro de la capa del catalizador, para aumentar el contacto del área superficial requerida para que se produzcan las reacciones químicas », explica Tileli.

« Es por eso que es todo un logro obtener imágenes de estos catalizadores en tres dimensiones; antes, era imposible tener el contraste correcto entre los diferentes componentes de la capa de catalizador ». El trabajo ha sido publicado recientemente en la revista Nature Catalysis.

Mejor conservación; resolución más alta

Durante la obtención de imágenes con microscopía electrónica convencional, las delicadas muestras de la capa de catalizador a menudo resultan dañadas por los haces de electrones, lo que hace que los materiales se encojan o se deformen. Al realizar las imágenes in situ a temperaturas criogénicas, Tileli y su equipo pudieron preservar la mayor parte de la morfología de la capa de catalizador. Luego, utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para eliminar el ruido y clasificar las imágenes con mayor precisión, lo que les permitió lograr una resolución de imagen más alta que nunca antes.

Fundamentalmente, los científicos pudieron revelar el grosor heterogéneo de una capa de polímero poroso en los catalizadores llamados ionómeros. El grosor del ionómero influye fuertemente en el rendimiento de los catalizadores de platino.

« El ionómero debe tener un cierto espesor para que las reacciones catalíticas ocurran de manera eficiente. Debido a que pudimos hacer una reconstrucción completa de las capas del catalizador con un daño limitado a la estructura, pudimos mostrar, por primera vez, cuánto platino está cubierto con ionómero y el grosor de esa cobertura », explica Tileli.

Esta información podría ser una mina de oro para los fabricantes de catalizadores, que podrían usarla para producir catalizadores con más partículas de platino que estén cubiertas por la cantidad correcta de ionómero y que, por lo tanto, funcionen de manera óptima.

« El aspecto criogénico es el componente clave de este estudio. Los ionómeros son como las proteínas: son blandos y requieren condiciones de congelación para estabilizar y proteger su estructura », dice Tileli.