Un equipo de la Universidad de Washington en St. Louis diseñó un catalizador para celdas de combustible que emplea cantidades mínimas de platino y preserva estabilidad y eficiencia durante periodos prolongados. Este avance podría hacer más factible el uso de hidrógeno para alimentar centros de datos, vehículos y otras tecnologías de alto consumo energético, según informó el portal científico Science Daily.
La magnitud del reto energético mundial resalta la importancia del hallazgo. En Estados Unidos, por ejemplo, el Electric Power Research Institute proyecta que los centros de datos podrían consumir hasta 9% de la generación anual de electricidad del país para 2030, frente al 4% de la demanda total registrada en 2023.
La investigación fue liderada por Gang Wu, profesor Elvera y William R. Stuckenberg en la McKelvey School of Engineering de la universidad, y contó con la participación de científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Northeastern y la Universidad de Pittsburgh. Los resultados se publicaron en la revista especializada Nature Nanotechnology.
Wu explicó que, si un centro de datos pudiera abastecerse con una celda de combustible, convertiría directamente hidrógeno y otros combustibles en electricidad y aliviaría la carga sobre la red energética.
Nuevo diseño calienta el catalizador sin perder partículas
Las celdas de combustible generan electricidad al combinar hidrógeno y oxígeno. Ese proceso también produce agua y calor, y requiere catalizadores que aceleren la reacción, reduzcan pérdidas de energía y mantengan el rendimiento a largo plazo.
El platino está entre los materiales más efectivos para esa función, pero su costo obliga a minimizar la cantidad empleada. Una estrategia común es convertirlo en nanopartículas para aumentar la superficie disponible para las reacciones químicas, con cargas típicas inferiores a un cuarto de miligramo por centímetro cuadrado.
El inconveniente es que esas nanopartículas pueden disolverse, desplazarse y agrandarse durante el funcionamiento de la celda, provocando una caída gradual del rendimiento. Los catalizadores intermetálicos de platino —compuestos donde los átomos se ordenan en una estructura fija y predecible, a diferencia de las aleaciones convencionales— surgieron como alternativa porque ofrecen más actividad y estabilidad, aunque su fabricación enfrenta otra limitación.
Para mantener partículas pequeñas, bien distribuidas y eficientes en el uso del metal precioso, los investigadores suelen calentar los materiales a temperaturas inferiores a 700 °C. Ese umbral, según el portal, muchas veces no basta para completar la transición desde una disposición atómica desordenada —donde los átomos se ubican de manera irregular— hacia una estructura altamente ordenada —donde cada átomo ocupa un lugar preciso y fijo—, condición clave para maximizar la actividad y durabilidad del catalizador.
La respuesta del equipo fue un nuevo soporte de carbono: esferas huecas y porosas con nanocanales radiales ordenados, además de una amplia superficie y espacio interno. Esa arquitectura permitió concentrar gran cantidad de nanopartículas intermetálicas de platino-cobalto de forma densa y uniforme.
Wu explicó:
“Tradicionalmente, había una compensación entre tamaño y estabilidad, pero con el soporte de nanocanales de carbono ordenados, las nanopartículas de platino-cobalto pueden quedar confinadas y mantenerse estables con un tamaño muy pequeño incluso a altas temperaturas”.
El diseño permitió calentar el catalizador a 1.000 °C, temperatura suficiente para formar la estructura ordenada buscada sin que las nanopartículas se aglomeraran. A la vez, el soporte mantuvo las partículas por debajo de 5 nanómetros y evitó que se distribuyeran de manera desigual.
Alto rendimiento tras 150.000 ciclos de voltaje
El resultado directo fue un intento de resolver una disyuntiva persistente en este campo: partículas más grandes suelen aportar estabilidad, pero sacrifican actividad, mientras que otros enfoques ganan actividad a costa de la vida útil. El equipo buscó las dos cosas mediante un soporte con canales diminutos dispuestos en patrón radial —como los rayos de una rueda, desde el centro hacia afuera— y un control preciso del tamaño y volumen de los poros.
En las pruebas, el material conservó 85% de su rendimiento después de 150.000 ciclos severos de voltaje. Los investigadores estiman que esa resistencia podría equivaler a unas 25.000 horas de operación.
Wu indicó que la estructura abierta de canales también ayuda a que el material que transporta iones, como un ionómero, se distribuya de manera uniforme y facilite el movimiento de protones, oxígeno y agua a través del electrodo —la superficie donde ocurren las reacciones electroquímicas—.
“Como resultado, las nanopartículas de platino-cobalto incorporadas en este soporte mostraron un rendimiento de primer nivel y una durabilidad prolongada”, resumió.
Ese comportamiento no solo estabiliza las nanopartículas. Los canales abiertos también crean trayectorias más sencillas para la circulación de protones, oxígeno y agua, una condición que mejora el funcionamiento general del sistema.
Si el desarrollo posterior confirma estos resultados y avanza con socios industriales, la tecnología podría mejorar celdas de combustible destinadas tanto al transporte como a la generación eléctrica. En el caso de los centros de datos, la posibilidad concreta es producir electricidad directamente a partir de hidrógeno u otros combustibles y reducir parte de la demanda creciente que hoy recae sobre las redes eléctricas a nivel global.
Fuente: Infobae