Catálisis de alto rendimiento de Fe-N-C dirigida por grupos de enlace en celdas de combustible de membrana de...

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales
• Electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Los catalizadores Fe-N-C dispersos atómicamente son alternativas prometedoras a los catalizadores de metales del grupo del platino (PGM) para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC).
• La utilización inadecuada del sitio activo en los ensamblajes de membrana y electrodo (MEA) limita su rendimiento.
• El desarrollo de catalizadores eficientes y rentables es crucial para la adopción generalizada de PEMFC.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un catalizador de hierro-nitrógeno-carbono funcionalizado con oxígeno (O-FeNC) de alta actividad de masa con densidad y utilización de sitios mejoradas para PEMFC.
• Investigar el papel de los grupos carbonilo (C═O) en la promoción de la densificación del sitio FeN4 y la alineación interfacial.
• Evaluar el rendimiento electroquímico y la escalabilidad del catalizador O-FeNC desarrollado.

Principales métodos:

• Síntesis del catalizador O-FeNC que incorpora grupos carbonilo.
• Caracterización de la estructura del catalizador y los sitios activos.
• Pruebas electroquímicas en PEMFC, incluidas mediciones de densidad de corriente y densidad de potencia.
• Evaluación de la segregación de nanfase de ionómero y la permeación de oxígeno.

Principales resultados:

• El catalizador O-FeNC logró una alta densidad y utilización de sitios, superando el objetivo 2025 del Departamento de Energía de EE. UU. con una densidad de corriente de 66,45 mA cm^-2 a 0,90 V_iR-free.
• La actividad de masa fue un 59% mayor que la del Pt/C comercial.
• Se lograron densidades de potencia pico de 1,8 W cm^-2 (H₂-O₂) y 0,93 W cm^-2 (H₂-aire).
• La síntesis a escala de gramos y un prototipo de pila de cátodo sin PGM de 500 W demostraron la escalabilidad industrial.

Conclusiones:

• Los grupos carbonilo promueven eficazmente la densificación del sitio FeN4 y la alineación interfacial, mejorando el rendimiento del catalizador.
• El catalizador O-FeNC ofrece una alternativa viable y de alto rendimiento sin PGM para PEMFC.
• La escalabilidad demostrada sugiere potencial para la aplicación comercial en tecnología de celdas de combustible.