Diseñan un 'pulmón' que crea combustible del agua

Su diseño podría representar el primer paso hacia un método eficiente de generación de combustible de hidrógeno.

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Inspirándose en los pulmones humanos, un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford (EE. UU.) ha creado un dispositivo de imitación biológica que produce combustible de hidrógeno limpio al dividir las moléculas de agua. El aparato, similar a un pulmón, podría mejorar la eficiencia de las celdas de combustible, que se utilizan para impulsar vehículos de hidrógeno o incluso para las ciudades.


Mientras lees estas líneas, habrás inhalado y exhalado un par de veces, probablemente no conscientemente. Pero solo porque la respiración sea automática no significa que sea simple. Nuestro sistema de respiración consiste en una maquinaria biológica muy sofisticada que permite el intercambio de gases en dos vías. Cuando respiramos, el aire se mueve a través de pequeños poros llamados bronquiolos hasta que llega a los alvéolos, pequeños sacos en el extremo del árbol respiratorio donde el dióxido de carbono sale de la sangre y el oxígeno entra.

 

Los alvéolos tienen una estructura única compuesta por una membrana de un micrómetro de espesor que repele el agua en el interior pero la atrae en la superficie exterior. De esta manera, se evita que se formen burbujas dañinas, lo que permite que el oxígeno pase al torrente sanguíneo de manera segura y altamente eficiente.

Los científicos imitaron la estructura de los alvéolos para obtener unos electrocatalizadores mejorados (materiales que aumentan la velocidad de una reacción química en un electrodo) tanto para la electrólisis (división del agua en hidrógeno y oxígeno) como para las celdas de combustible (que funcionan quemando hidrógeno para obtener energía y producen agua como un subproducto).

 

El equipo dirigido por Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, hizo una película de plástico de 12 nanómetros de grosor con diminutos poros en un lado que repele el agua. En el otro lado añadieron  nanopartículas de oro y platino, que aceleran las reacciones químicas.

Para demostrar su sistema, los investigadores primero dividieron el agua en sus partes constituyentes: hidrógeno y oxígeno. Los gases viajaron a través del dispositivo similar a un pulmón sin formar burbujas, a diferencia de las películas a base de carbono que generalmente se usan en las celdas de combustible. Esta parte del proceso se asemeja a la exhalación humana.

 

Eso no es todo. El gas de oxígeno se suministra a un catalizador en la superficie del electrodo, por lo que se puede utilizar como reactivo durante las reacciones electroquímicas. A través de una reacción que consume oxígeno, se puede generar energía. Este proceso es similar a la inhalación en nuestra respiración.

En última instancia, el dispositivo fue un 32% más eficiente en la conversión de energía que la misma membrana en una configuración plana, lo que destaca la importancia de la geometría.

Lo que fue particularmente impresionante fue la robustez y estabilidad del sistema. El sistema que imita a los pulmones retuvo el 97% de su actividad catalítica después de 250 horas de uso, mientras que una membrana convencional basada en carbono decayó al 74% en solo 75 horas de actividad.

 

Todos estos hallazgos son extremadamente prometedores, aunque también hay espacio para mejorar. Siempre. La membrana de nano-polietileno utilizada en el estudio se degrada a temperaturas superiores a 100 grados centígrados, lo que la hace inadecuada para una amplia gama de aplicaciones. Los investigadores ahora están probando otras membranas nanoporosas que tienen mejor tolerancia al calor.

"La estructura que imita la respiración se podría acoplar con muchos otros electrocatalizadores de vanguardia, y una mayor exploración del electrodo trifásico gas-líquido-sólido ofrece oportunidades interesantes para la catálisis", dice Jun Li, líder del trabajo que publica la revista Cell.

 

Referencia: Breathing-Mimicking Electrocatalysis for Oxygen Evolution and Reduction. Jun Li Yangying Zhu Wei Chen Zewen Zhang Steven Chu Yi Cui Show all authors Show footnotes

Published: December 20, 2018 CELL DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.11.015

 

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