Los problemas gemelos del cambio climático y la escasez de combustibles fósiles son los nuevos desafíos fundamentales de la investigación energética. Las pilas de combustible de electrolito polimérico (PEFC), que producen hidrógeno combustible limpio, son una de las opciones más prometedoras para hacer frente a estos dos desafíos. Sin embargo, los PEFC son costosos de fabricar y operar, principalmente debido a la gran cantidad de platino (Pt) que requieren. Además, la cantidad de Pt en la corteza terrestre es limitada, lo que significa que para que los PEFC sean verdaderamente sostenibles, es imperativo reducir la cantidad de Pt que utilizan. Actualmente, los PEFC utilizan cátodos (el electrodo positivo) fabricados con nanopartículas de Pt (NP) que se soportan en negro de humo (Pt NP/CB). Sin embargo, investigaciones recientes han indicado que los nanoclusters de Pt (Pt NC) tienen una mayor actividad de reacción de reducción de oxígeno (ORR) que los Pt NP, es decir, tienen un mayor rendimiento. Hasta ahora, la razón de la alta actividad de ORR de Pt NC no ha sido clara.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el profesor Yuichi Negishi de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) desarrolló una nueva Pt NC que exhibe una actividad ORR 2,1 veces mayor que las Pt NP comerciales y elucidó el origen de su alta actividad. « En nuestro estudio, nos centramos en las NC de Pt derivadas de una base de Pt, carboxilato de carbono (CO) y trifenilfosfina (PPh3), es decir, z (donde z = 1+ o 2+). Recientemente demostramos que estos NC de Pt, a diferencia de otros, son estables en el aire. Luego realizamos cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para revelar la razón de su notable actividad », dice el profesor Negishi. El equipo de investigación también incluyó al profesor asociado junior Tokuhisa Kawawaki de la Universidad de Ciencias de Tokio, el profesor asociado Kenji Iida de la Universidad de Hokkaido, Toshihiko Yokoyama del Instituto de Ciencias Moleculares de Japón y el profesor Gregory F. Metha de la Universidad de Adelaide, Australia.El estudio se publicó en la revista Nanoscale el 24 de marzo de 2023.
Los investigadores prepararon las NC de Pt mediante la adsorción de z sobre negro de humo, seguido de una reacción de calcinación. A continuación, compararon su rendimiento con los NP/CB de Pt convencionales utilizando una técnica denominada voltamperometría de barrido lineal. Descubrieron que las nuevas NC de Pt tenían un mayor rendimiento que las NP/CB de Pt. En particular, a 0,9 voltios, las NC de Pt tenían una actividad 2,1 veces mayor que las NP/CB de Pt. También encontraron que el aumento de la carga de Pt en el electrodo conduce a un aumento en su actividad de masa, y que los PT NC tenían una mayor durabilidad que los PT NP/CB comerciales.
A continuación, para dilucidar los orígenes de su alta actividad, realizaron cálculos DFT. « Nuestros cálculos sugieren que la alta actividad de ORR de las nuevas NC de Pt se debe a los átomos de Pt de la superficie, que tienen una estructura electrónica que es adecuada para el progreso de ORR », revela el profesor Negishi.
Estos hallazgos pueden servir como guía para el diseño de futuros catalizadores de Pt de alta actividad y alto rendimiento para su uso en PEFC, lo que nos llevará un paso más hacia la mitigación del cambio climático y la crisis de los combustibles fósiles.