Celdas de combustible

Las PEMFC se basan en costosos catalizadores de Pt, tanto para reacciones de oxidación por hidrógeno (HOR, por sus siglas en inglés) como para reacciones de reducción de oxígeno (ORR, por sus siglas en inglés). El tamaño de las partículas de Pt, que están dispersas en un soporte de carbono, afecta directamente a la actividad catalítica. Las partículas de Pt más pequeñas y bien dispersas tienen un área de superficie mayor y, por lo tanto, una mejor actividad específica y una mayor eficiencia de conversión de protones en una determinada carga de Pt.

Sin embargo, las partículas más pequeñas pueden crecer debido al uso de celdas de combustible a temperaturas elevadas por la coalescencia a través de la migración del cristal, o mediante el crecimiento a través de la maduración modificada de Oswald, según la microestructura de la matriz de carbono de soporte. La microestructura de los agregados de carbono también desempeña una función importante en el transporte eficiente de iones. En consecuencia, el tamaño de las partículas de Pt y el tamaño de los agregados de carbono desempeñan una función importante en la optimización de la actividad del catalizador en los electrodos de las celdas de combustible.

Las mediciones del tamaño de los cristalitos de la difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés) se pueden utilizar para calcular el tamaño de las partículas de Pt. Esto se debe a que, en las nanopartículas de metal que suelen oscilar entre 1 y 10 nm, el tamaño del cristalito es, probablemente, el mismo que el tamaño de las partículas. Esta medición se puede realizar con precisión en un difractómetro compacto, como nuestro Aeris XRD fácil de usar. En concreto, el Aeris se puede utilizar para la sinterización in situ a fin de comprender cómo las partículas de Pt se endurecen con la temperatura de la sinterización, lo que permite un análisis más preciso de la actividad del catalizador en PEMFC.

Otro método de medición directa del tamaño de las partículas de Pt es la dispersión de rayos X de ángulo reducido (SAXS, por sus siglas en inglés). En nuestra plataforma de XRD Empyrean, se pueden realizar el análisis de solo SAXS, y SAXS y XRD, en combinación con la sinterización in situ, lo que proporciona información sobre cómo el tamaño de las partículas de Pt y el grosor afectan a la eficiencia de las celdas de combustible.

Las partículas de carbono de los catalizadores de las celdas de combustible pueden aglomerarse de 0,5 a 5 µm, con formas muy alargadas. El análisis de estas formas ayuda a los desarrolladores de celdas de combustible a maximizar su eficiencia. Para ello, la difracción láser es una técnica no destructiva que se utiliza para medir partículas de estos tamaños y comparar la distribución del tamaño de las partículas en diferentes muestras. Nuestro Mastersizer es el estándar líder en la industria en medición de tamaño de partículas mediante difracción láser. Las muestras se pueden medir como polvos secos o dispersión de la pulpa.

Otro método para la medición de los agregados de carbono es la dispersión de luz dinámica (DLS, por sus siglas en inglés). El sistema de DLS mide el tamaño de las partículas mediante el análisis del movimiento browniano de las partículas dispersas en un líquido. Las partículas más grandes se desvían lentamente, mientras que las partículas más pequeñas se desvían más rápido. La DLS es muy precisa para el rango de tamaño de partículas de carbono de 1 a 1000 nm, en el cual las partículas no sedimentan a causa de la gravedad. Nuestro Zetasizer es el instrumento perfecto para medir el tamaño del agregado de carbono en la pulpa mediante la DLS. No solo esto, sino que el Zetasizer también puede medir el potencial zeta para determinar la tendencia de las partículas a formar agregados grandes.

En la tinta del catalizador, las partículas de Pt soportadas en carbono, junto con los ionómeros, se dispersan en un líquido y, normalmente, tienen una carga superficial. La aglomeración de estas partículas puede provocar un revestimiento no uniforme, lo que puede generar una alta resistencia en el transporte de iones. Esto se puede analizar y evitar midiendo el potencial zeta, que está relacionado con la carga superficial. Las partículas con un alto potencial zeta (más de 30 mV) se repelen y tienen menos probabilidades de aglomerarse, lo cual produce tintas más estables. 

El Zetasizer, además de medir el tamaño de las partículas, también puede medir el potencial zeta. En concreto, se puede utilizar para medir muestras conductoras de electricidad, como la tinta del catalizador, mediante una celda especializada que mide muestras de alta concentración. Esto permite a los desarrolladores producir tintas más estables, lo que hace posible que las celdas de combustible sean más eficientes.