Científicos se han inspirado en la biología para diseñar una pila de combustible con materiales más baratos (cobalto) y un compuesto orgánico (quinona) que transporta electrones y protones.
En una pila de combustible tradicional, los electrones y protones del hidrógeno se transportan de un electrodo a otro, donde se combinan con oxígeno para producir agua. Este proceso convierte la energía química en electricidad. Para generar una cantidad significativa de carga en un periodo de tiempo suficientemente corto, se necesita un catalizador para acelerar las reacciones.
En este momento, el mejor catalizador en el mercado es el platino, pero tiene un alto precio. Esto hace que las pilas de combustible sean caras y es una de las razones por las cuales solo hay unos pocos miles de vehículos con combustible de hidrógeno actualmente en las carreteras de Estados Unidos.
La profesora de Química de UW-Madison Shannon Stahl, que dirigió el nuevo estudio en colaboración con Thatcher Root, profesor de Ingeniería Química y Biológica, dice en un comunicado que los metales menos costosos pueden usarse como catalizadores en las pilas de combustible actuales, pero solo si se usan en grandes cantidades. “El problema es que cuando se conecta demasiado catalizador a un electrodo, el material se vuelve menos efectivo –dice–, lo que conduce a una pérdida de eficiencia energética”.
Cobalto y quinona, claves de este nuevo modelo
La solución del equipo fue empaquetar un metal de bajo costo, el cobalto, en un reactor cercano, donde la mayor cantidad de material no interfiere con su rendimiento. Luego, el equipo ideó una estrategia para transferir electrones y protones de este reactor a la pila de combustible.
El vehículo adecuado para este transporte demostró ser un compuesto orgánico, llamado quinona, que puede transportar dos electrones y protones a la vez. En el diseño del equipo, una quinona recoge estas partículas en el electrodo de la pila de combustible, las transporta al reactor cercano lleno de un catalizador de cobalto barato y luego regresa a la pila de combustible para recoger a más “pasajeros”.
Muchas quinonas se degradan en una sustancia parecida al alquitrán después de solo unas pocas vueltas. El laboratorio de Stahl, sin embargo, diseñó un derivado de quinona ultra-estable. Al modificar su estructura, el equipo ralentizó drásticamente el deterioro de la quinona. De hecho, los compuestos que ensamblaron duran hasta 5.000 horas, un aumento de más de 100 veces en la vida en comparación con las estructuras de quinona previas.
“Aunque no es la solución final, nuestro concepto introduce un nuevo enfoque para abordar los problemas en este campo”, dice Stahl, señalando que la producción de energía de su nuevo diseño produce aproximadamente el 20 por ciento de lo que es posible en las pilas de combustible de hidrógeno actualmente en el mercado. Por otro lado, el sistema es aproximadamente 100 veces más efectivo que las células de biocombustibles que usan transbordadores orgánicos relacionados.
El siguiente paso para Stahl y su equipo es aumentar el rendimiento de los mediadores de quinona, lo que les permite transferir electrones de manera más efectiva y producir más potencia. Este avance permitiría que su diseño coincidiera con el rendimiento de las células de combustible convencionales, pero con un precio más bajo.
“El objetivo final de este proyecto es ofrecer opciones libres de carbono en la industria para la creación de electricidad”, afirma Colin Anson, investigador postdoctoral en el laboratorio de Stahl y coautor de la publicación. “El objetivo es averiguar qué necesita la industria y crear una pila de combustible que llene ese agujero”, agrega.
Este paso en el desarrollo de una alternativa más barata podría eventualmente ser una bendición para compañías como Amazon y Home Depot que ya usan pilas de combustible de hidrógeno para conducir carretillas elevadoras en sus almacenes. “A pesar de los grandes obstáculos, la economía del hidrógeno parece estar creciendo –resalta Stahl–, de un paso a la vez”.
Fuente: europapress.es