El elevado coste del platino es uno de los principales obstáculos para aumentar el uso de las pilas de combustible de hidrógeno. Ahora, investigadores del Instituto IMDEA Materiales han desarrollado un catalizador que consigue el mismo rendimiento utilizando un 75 % menos de este metal costoso.

El estudio, publicado en la revista Electrochimica Acta, demuestra que este avance es posible gracias a una compresión mecánica controlada aplicada al catalizador. Modifica su estructura a escala atómica y le permite alcanzar una eficiencia energética similar al platino puro.

Como el platino es el material más costoso de estos catalizadores, reducir su uso en un 75% permitiría abaratar significativamente el coste de fabricación de estos dispositivos de energía limpia.

“Este avance demuestra que la ingeniería de deformación elástica es una vía viable y precisa para diseñar catalizadores mucho más económicos,” explica Jorge Redondo de IMDEA Materiales, el autor principal de la publicación.

«Al reducir en tres cuartas partes el contenido de platino manteniendo un rendimiento catalítico similar, este trabajo representa un paso prometedor hacia la producción a gran escala de tecnologías de hidrógeno más competitivas.»

Las pilas de hidrógeno, que generan electricidad a partir del hidrógeno y el oxígeno, son esenciales para la transición energética.

Sin embargo, la reacción de reducción del oxígeno (el Oxygen Reduction Reaction o ORR en inglés), responsable de producir agua como subproducto en este proceso, es una de las etapas más lentas del proceso.

Para acelerarla, las pilas de combustible emplean habitualmente catalizadores basados en platino, ya que este metal combina una elevada actividad catalítica con una gran estabilidad durante el funcionamiento.

Para reducir esa dependencia, los investigadores desarrollaron un catalizador basado en una aleación de cobre y platino (Cu₃Pt) depositada sobre un soporte de níquel-titanio con memoria de forma. Mediante una ligera compresión mecánica del material, inferior al 1%, consiguieron modificar su estructura electrónica y aumentar su capacidad para catalizar la reacción.

Concretamente, los resultados de las pruebas electroquímicas mostraron que este estado de compresión elevó el potencial del catalizador a 855 milivoltios a una densidad de corriente de 1 mA/cm2, una cifra prácticamente idéntica a los 856 milivoltios que registra el platino puro a esa corriente en un entorno ácido con un pH cercano a 1.

Por el contrario, cuando se aplicó una tensión estirando la aleación un 0,80%, el rendimiento disminuyó sensiblemente. Este comportamiento valida de forma empírica las predicciones teóricas basadas en el cambio de la fuerza adhesión/desorción del hidrógeno sobre la superficie del catalizador.

Además, los análisis confirmaron que el propio proceso químico genera un fenómeno de disolución selectiva del cobre en la superficie del catalizador.

“Esto crea una fina capa enriquecida con platino de unos pocos nanómetros de espesor sobre la estructura interna,” dijo Redondo. “Este efecto combinado de compresión mecánica y autoorganización química permite reducir significativamente la cantidad de platino necesaria sin perder eficiencia.”

Pese a estos resultados, los autores advierten de que aún queda camino por recorrer antes de su aplicación comercial.

La tecnología deberá demostrar que puede fabricarse de forma rentable a escala industrial y que el efecto de compresión, clave para mantener el alto rendimiento del catalizador, permanece estable tras un funcionamiento prolongado. Estas serán las próximas cuestiones que abordará la investigación.

El estudio, liderado por Redondo, ha contado también con la participación del Dr. Miguel Monclús, el Prof. Jon Molina y el Prof. Javier LLorca.

Este trabajo ha sido financiado por el proyecto CATbyESE (TED2021-129497B-I00), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España. JR agradece el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación de España a través del contrato predoctoral PRE2021-097425. La caracterización mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) se llevó a cabo en la Unidad de Microscopía Electrónica de Transmisión de la Universidad Carlos III de Madrid.