Nuevos catalizadores podrían facilitar la transición hacia una economía del hidrógeno, tanto para su producción a partir de luz solar como para su consumo en pilas de combustible para producir electricidad in situ.
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Algunos metales nobles lo son por alguna razón. El platino, una vez despreciado por «contaminar» el oro, se ha hecho casi insustituible para catalizar determinadas reacciones químicas. Recordemos que un catalizador facilita una determinada reacción química conservándose en el proceso. De este modo podemos utilizar el catalizador una y otra vez sin gastarlo. Esto es una ventaja, ya que en general los catalizadores, sobre todo si usan platino y otros metales nobles, son muy caros. Esos elementos son además escasos en la corteza terrestre.
En los tubos de escape de los automóviles modernos hay pequeñas cantidades de metales nobles que permiten transformar algunos gases tóxicos en otros que lo son menos. Gracias a estos catalizadores se reduce la contaminación sobre las ciudades. Pero hay otras aplicaciones que quizás se apliquen a los mismos vehículos.
Los catalizadores de platino se han utilizado desde hace mucho tiempo en la industria petrolera o química y se han perfeccionado mucho. Una pequeña cantidad suele ser suficiente para cumplir su misión, sobre todo si está distribuida sobre una gran superficie. Además de platino también se suele emplear rodio y paladio, que son igualmente son muy caros.
Hay dos tareas para las que el platino no ha sido sustituido adecuadamente hasta el momento: para la producción directa de hidrógeno a partir del agua y luz solar y para la producción de electricidad en pilas de combustible. Dos resultados recientes nos dicen que quizás pronto dispongamos de catalizadores económicos para ambas tareas.
La idea de la producción de hidrógeno directa a partir de la luz del sol es bastante seductora. Se añade un catalizador al agua corriente y al ser expuesto a la luz visible burbujea hidrógeno. No hay mediación de electrolisis ni nada por el estilo. Esos catalizadores existen desde hace 30 años pero son muy caros por basarse en el platino. Hay otros basados en polímeros, pero sólo funcionan con luz ultravioleta, que constituye una parte pequeña del espectro electromagnético que llega al suelo.
Xinchen Wang del Instituto Max Planck, ha conseguido recientemente desarrollar un catalizador basado en polímeros que funciona tanto bajo luz visible como UV para producir hidrógeno, además es más económico que los catalizadores basados en platino y otros metales nobles. Este resultado nos acerca más a la meta de contar con un catalizador barato, termoestable, versátil, estable en agua y no tóxico para cumplir esta función.
El nuevo material es un polímero formado por largas cadenas de carbono y nitrógeno que forma capas de manera similar a las del grafito. Este material se introduce en el agua tratata y cuando el conjunto se ilumina con luz visible o UV el agua se divide en iones de hidrogeno (protones) y de oxígeno. El carbono ayuda a producir el hidrógeno molecular (proceso de reducción) a partir de los protones mediante la donación de electrones por parte del nitrógeno. El nitrógeno por otro lado ayuda además a la formación (proceso de oxidación) de oxígeno molecular al robar los electrones (que posteriormente dona) a los iones de oxígeno.
El resultado abre el camino para futuros catalizadores baratos de alto rendimiento. Quizás en el futuro produzca el hidrógeno que alimente las pilas de combustibles de automóviles, autobuses o camiones del futuro.
Pero para la otra parte de la ecuación: una pila de combustible económica, también hacen falta nuevos catalizadores. De nada sirve desarrollar sistema de almacenamiento de hidrógeno para automóviles si la pila de combustible es cara o utiliza elementos escasos en la corteza terrestre.
Las pilas o células de combustible se desarrollaron para la carrera espacial y desde entonces se ha investigado mucho sobre su aplicación al transporte terrestre. Su ventaja es que son muy ligeras y pueden proporcionar gran potencia. Algo que las baterías normales no consiguen.
La base de su funcionamiento es sencilla, se trata de combinar hidrógeno y oxígeno para producir agua y que la energía de su reacción produzca electricidad.
En las pilas de combustibles habituales el catalizador de platino sobre uno de los electrodos rompe el hidrógeno molecular en dos protones y dos electrones. Los protones pasan a través de una membrana de intercambio de protones hacia un segundo electrodo que reacciona con el oxígeno para producir agua. Los electrones circulan por un circuito eléctrico externo de un electrodo a otro y constituye la corriente producida en el proceso. Las membranas usadas están en un ambiente ácido y de ahí el uso del platino, ya que éste resiste la corrosión en ese ambiente. También hay pilas de combustible buenas basadas en paladio, pero aunque el precio de este metal es inferior al del platino es igualmente caro.
Ahora el grupo de Lin Zhuang en la Universidad de Hubei (China) ha diseñado una membrana que funciona en ambiente alcalino en lugar de ácido haciendo posible la utilización de níquel en lugar de platino como catalizador.
En estudios previos se intento el uso de líquidos en lugar de sólidos para tener un medio alcalino, pero formaban carbonatos que terminaban bloqueando la pila. Otros intentos daban pilas que no funcionaban por encima de 40 grados centígrados, pero se requieren temperaturas de operación superiores a esa si queremos una pila práctica.
De momento el rendimiento de esta pila es de sólo 50 milivatios por centímetro cuadrado a 60 grados. Aunque es bajo no se puede comparar con las décadas de desarrollo de las pilas de combustible tradicionales. Es de esperar que se consiga aumentar ese rendimiento en el futuro.
Fuentes y referencias:
Artículo original en Nature (resumen). [1]
Artículo original en PNAS (resumen). [2]