Podría ayudar a que las tecnologías de energía limpia existentes funcionen de manera más eficiente
Los investigadores de la Universidad de Stanford, inspirados en los pulmones humanos, han 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 células de combustible, que se utilizan para impulsar vehículos de hidrógeno o incluso ciudades.
Cuando acabaste de leer el párrafo anterior, debes haber inhalado y exhalado un par de veces, que ni siquiera notaste 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 de 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 sale de la sangre el dióxido de carbono e ingresa el oxígeno.
Los alvéolos tienen una estructura única compuesta por una membrana de un micrón 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 de la Universidad de Stanford imitaron la estructura de los alvéolos para obtener mejores electrocatalizadores (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 células de combustible (que funcionan a la inversa, "queman" el hidrógeno para obtener energía y generar agua como subproducto).
"Las tecnologías de energía limpia han demostrado la capacidad de entrega rápida de reactante de gas a la interfaz de reacción, pero sigue siendo un desafío la evolución del producto de gas eficiente en la ruta inversa desde la interfaz de catalizador/electrolito", dice Jun Li, el primer autor del estudio.
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 repelen el agua. En el otro lado del material, se agregaron nanopartículas de oro y platino, que aceleran las reacciones químicas. Finalmente, la película se enrolló con la capa de metal en el interior y se selló en los bordes.
Para demostrar su sistema, los investigadores primero dividieron el agua en sus partes constituyentes: hidrógeno y oxígeno. Los gases viajaron luego a través del dispositivo similar a un pulmón sin los costos de energía de formar burbujas, a diferencia de las películas a base de carbono que generalmente se usan en las células de combustible. Esta parte del proceso se asemeja a la exhalación.
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 última instancia, el aparato similar a un pulmón 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 similar 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. 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 están probando ahora 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 interesantes oportunidades para la catálisis", dice Jun Li.
Artículo científico: Breathing-Mimicking Electrocatalysis for Oxygen Evolution and Reduction
