Investigadores del Cinvestav Saltillo diseñan nanocatalizadores de bajo costo para producir energía limpia

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30 noviembre, 2020

Con el fin de reducir el impacto ambiental provocado por el uso de combustibles fósiles, diversos grupos de investigación trabajan en el desarrollo de fuentes de energía eficientes y cuya emisión de gases de efecto invernadero sea nula o muy baja.

Una alternativa son los dispositivos electroquímicos, como las celdas de combustible de hidrógeno, que producen energía eléctrica a partir de una reacción química, para lo cual requieren materiales conocidos generalmente como catalizadores, pero que cuando se diseñan a nanoescala son llamados nanocatalizadores.

Éstos son capaces de acelerar y/o dirigir una reacción química hacia un producto deseado, sin consumirse en el transcurso de la misma. El platino es uno de los elementos más utilizados en las celdas de combustible de hidrógeno, pero al ser un metal caro y poco abundante se ha vuelto necesario desarrollar nanocatalizadores más económicos.

Así, Francisco Javier Rodríguez Varela, investigador del Cinvestav Unidad Saltillo, se ha dedicado a diseñar nuevos catalizadores a escala nanométrica, para la generación de energía, que contengan menor cantidad de platino y con ello reducir su costo de producción.

Los nanocatalizadores disponibles en el mercado están conformados por platino (20 por ciento) y un material de soporte, a base de carbono, llamado Vulcan; esto de acuerdo con las recomendaciones del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Uno de los resultados obtenidos en el laboratorio de Rodríguez Varela fue disminuir a la mitad el contenido de platino al formar aleaciones con rutenio o estaño, o con óxidos de metal (cerio, por ejemplo), lo que vuelve a estos nanocatalizadores significativamente más baratos en comparación a los convencionales.

Las aleaciones de platino o los compuestos platino-óxido de metal han mostrado alta actividad catalítica en las reacciones químicas que se llevan a cabo dentro de las celdas de combustible de hidrógeno, las cuales tienen potencial aplicación en diversos sectores, entre ellos el automotriz.

Otro aspecto en el que se trabaja es en sustituir al Vulcan como material soporte en los nanocatalizadores, lo anterior porque en los dispositivos electroquímicos este material suele oxidarse rápidamente. Por lo cual están desarrollando biocarbonos obtenidos a partir de residuos de cuero, cáscaras de cebolla y de los lodos que resultan del tratamiento de aguas residuales.

Hasta el momento, se ha observado que los biocarbonos tienen buen desempeño como soportes de materiales catalíticos y son una opción sostenible, ya que para su producción se emplea materia prima considerada desecho.

“Estos nanocatalizadores, cuya composición es novedosa, han mostrado alta actividad catalítica en diversas pruebas de laboratorio y representan una oportunidad para estudiar elementos que no suelen usarse en los dispositivos electroquímicos y así, diseñar materiales específicos para acelerar o promover preferentemente algunas reacciones electroquímicas”, señaló Rodríguez Varela.

El siguiente paso es comparar el desempeño de los nanocatalizadores conformados por biocarbones y nanopartículas metálicas (de platino, sus aleaciones, o los compuestos de platino-óxido de metal) con la de los materiales que usan Vulcan como soporte.

En cuanto a la evaluación de los nanocatalizadores con bajo contenido de platino, se llevó a cabo en celdas de combustible de hidrógeno y en otras que utilizan etanol para generar electricidad.

En el caso de los biocarbones, fueron probados en una celda de combustible microbiana, que si bien tiene una configuración diferente a la del hidrógeno, sirvió para identificar que cuentan con actividad catalítica para promover la conversión de materia orgánica en energía eléctrica.

De acuerdo con el especialista del Cinvestav, las celdas de combustible de hidrógeno producen energía eléctrica, calor y agua como subproducto, no emiten gases de efecto invernadero y su eficiencia de conversión energética, superior al 50 por ciento, es más alta que la de los sistemas basados en gasolina o diésel (35 por ciento o menos).

De ahí la relevancia de seguir investigando a fin de obtener nanocatalizadores cada vez más eficientes y económicos, lo cual contribuirá a impulsar el uso del hidrógeno como combustible y de los dispositivos electroquímicos para generar y almacenar energía eléctrica, misma que puede ser empleada en el sector doméstico e industrial, finalizó Rodríguez Varela. (CINVESTAV)