Catalizadores catódicos para pilas de combustible tipo PEM basados en metales no nobles

[P. Hernández-Fernández, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid]

Uno de los factores limitantes en una pila de combustible de membrana polimérica (PEMFC) es la formulación del catalizador catódico. Éstos están basados en nanopartículas de Pt dispersas sobre un soporte tipo grafito. La cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) es seis órdenes de magnitud más lenta que la cinética de la reacción de oxidación de hidrógeno. Por este motivo, se necesitan elevadas cantidades de Pt en los cátodos de las pilas de combustible. Reducir la cantidad de Pt de los electrocatalizadores es un requerimiento clave para la implementación de las pilas tipo PEMFC. Para conseguir este objetivo tradicionalmente se han seguido dos estrategias. Una de ellas consiste en alear el Pt con diferentes elementos de transición que provoquen un aumento de la actividad electrocatalítica de la reducción de oxígeno. Otra estrategia consiste en la búsqueda de soportes que ayuden a maximizar el área superficial a la vez que disminuyen el contenido total de Pt empleado. Aun así, debido a que en ambas estrategias no se plantea la eliminación del metal noble, el coste de estos catalizadores estará directamente relacionado con el precio del Pt en un mercado altamente monopolizado. Como ejemplo de los elevados costes que representan estos materiales dentro de una pila de combustible cabe decir que actualmente el precio del Pt se sitúa en torno a los 1830 USD/onza, y que fue de 2280 USD en su momento más alto (Marzo de 2008).

Debido a esto, la mejor opción sería la formulación de catalizadores que no contengan metales nobles. En este sentido se están intentando sintetizar materiales activos en la reacción de reducción de oxigeno formados por nitrógeno, carbono y abundantes y baratos metales de transición como son el hierro o el cobalto. Aunque hay un debate abierto sobre la actividad catalítica en la ORR de los sitios N-M-C, no hay duda sobre que dicha actividad está directamente relacionada con el tipo de precursor de nitrógeno y de metal de transición usados, la temperatura o las condiciones de la síntesis.

Recientemente, Wu y colaboradores han sintetizado electrocatalizadores basados en polinanilina, carbón de elevada área superficial, nitrato de cobalto y cloruro de hierro. Dichos materiales fueron calcinados a distintas temperaturas (entre 400 y 900oC).La actividad de los mismos en la ORR puede verse en la Figura 1. La línea gris (8) representa un catalizador de Pt/C, mientras que el resto son catalizadores PANI-Fe-C, PANI-Co-C y PANI-FeCo-C. Se puede observar que el catalizador PANI-Fe-C tratado a 900oC (7) es el que presenta un mejor comportamiento de toda la serie en todo el rango de polarización. Además, la producción de agua oxigenada es prácticamente cero en este caso, lo cual indica que la ORR tiene lugar vía 4 electrones. El catalizador PANI-FeCo-C (6) también presenta un comportamiento cercano al alcanzado por el PANI-Fe-C. Un ventaja del bimetálico respecto al formado solo por Fe, es que se ha comprobado que el primero tiene una mayor estabilidad en condiciones de operación de una pila de combustible: El potencial a circuito abierto permanece estable tras 100 horas de trabajo (0.95 V) y la pérdida de densidad de corriente es de tan solo un 3% cuando se somete al material a un programa constante de potencial a 0.4 V.

Figura 1- Curvas de polarización de la ORR

Parece que estos materiales son una buena alternativa a los actuales catalizadores catódicos basados en metales nobles como el Pt, ya que no solo son activos en la ORR, sino que también son estables.

Bibliografía:

G. Wu, K.L. More, C.M. Johnston, P. Zelenay, “High-performance electrocatalysts for oxygen reduction derived from polyaniline, iron and cobalt” Science 332 (2011) 443-447

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Comentarios

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