La crioimagen levanta la tapa de las capas catalíticas de las pilas de combustible

Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), que se están desarrollando para su uso en vehículos eléctricos, se basan en nanopartículas llamadas catalizadores para desencadenar reacciones generadoras de electricidad entre el hidrógeno y el oxígeno. La mayoría de los catalizadores PEMFC contienen platino, un metal raro y precioso. Por lo tanto, existe una necesidad apremiante en todo el mundo de desarrollar catalizadores capaces de generar la mayor cantidad de energía y minimizar el contenido de platino.

Los fabricantes integran estos catalizadores en conjuntos complejos llamados capas catalíticas. Hasta ahora, tenían que hacer esto sin una imagen detallada de la estructura resultante, porque los procesos de formación de imágenes tradicionales casi siempre causan algún grado de daño.

Vasiliki Tileli, jefe de Laboratorio de caracterización in situ de nanomateriales con electrones en la escuela de ingeniería, fue capaz de superar este desafío. Al obtener imágenes de los catalizadores y su entorno a temperaturas bajo cero mediante tomografía electrónica de transmisión criogénica y procesar las imágenes con aprendizaje profundo, ella y sus colegas pudieron revelar, por primera vez, la estructura a nanoescala de las capas del catalizador.

“Todavía estamos muy lejos de las PEMFC sin platino, que son muy costosas, por lo que, a corto plazo, debemos reducir la carga de platino para que esta tecnología sea viable para la producción en masa. Por lo tanto, es imperativo comprender cómo se relaciona el platino con otros materiales en la capa del catalizador, a fin de aumentar la superficie de contacto requerida para que se produzcan las reacciones químicas”, dice Tileli.

“Es por eso que es toda una hazaña obtener imágenes de estos catalizadores en tres dimensiones; anteriormente era imposible tener el contraste correcto entre los diferentes componentes de la capa catalítica.

La obra fue recientemente publicado en la revista Nature Catalysis.

Mejor conservación; resolución más alta

Durante la obtención de imágenes con microscopía electrónica convencional, las delicadas muestras de la capa de catalizador a menudo se dañan con haces de electrones, lo que hace que los materiales se encojan o se deformen. Al realizar las imágenes in situ a temperaturas criogénicas, Tileli y su equipo pudieron preservar la mayor parte de la morfología de la capa de catalizador. Luego, utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para eliminar el ruido y clasificar las imágenes con mayor precisión, lo que les permitió lograr una resolución de imagen más alta que nunca.

Básicamente, los científicos pudieron revelar el grosor heterogéneo de una capa de polímero poroso en los catalizadores llamados ionómeros. El espesor del ionómero influye fuertemente en el rendimiento de los catalizadores de platino.

“El ionómero debe tener un cierto espesor para que las reacciones catalíticas ocurran de manera eficiente. Debido a que pudimos hacer una reconstrucción completa de las capas del catalizador con daños limitados a la estructura, pudimos mostrar, por primera vez, la cantidad de platino cubierto con ionómero y el espesor de esta cubierta”, explica Tileli. .

Esta información podría ser una mina de oro para los fabricantes de catalizadores, que podrían usarla para producir catalizadores con más partículas de platino que estén recubiertas por la cantidad correcta de ionómero y, por lo tanto, funcionen de manera óptima.

“El aspecto criogénico es el elemento clave de este estudio. Los ionómeros son como las proteínas: son blandos y requieren condiciones de congelación para estabilizar y proteger su estructura”, dice Tileli.

“Creo que esta técnica avanzada, por lo tanto, será útil no solo para facilitar la producción en masa de PEMFC a través del uso optimizado del platino, sino también para muchas aplicaciones diferentes en ciencia de materiales y energía, por ejemplo, el almacenamiento de baterías, electrólisis de agua y sistemas de conversión de energía. en general.”