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Pilas de combustible de etanol eficientes
Las pilas de combustible portátiles alimentadas directamente con etanol pronto podrían ser prácticas, gracias a un nuevo catalizador que rompe un fuerte vínculo en el corazón de las moléculas de etanol, liberando electrones y generando electricidad. Estas celdas de combustible podrían reemplazar las baterías de las computadoras portátiles y los teléfonos celulares y, eventualmente, podrían usarse para impulsar vehículos eléctricos.
Nano potencia: Las nanopartículas de óxido de estaño (arriba) forman la base de un nuevo catalizador para las pilas de combustible de etanol.
Las pilas de combustible de etanol podrían ser mucho más eficientes que los motores de etanol convencionales. También podrían ser más prácticos que las pilas de combustible de hidrógeno, ya que el etanol es más fácil de almacenar y transportar que el hidrógeno. Pero los investigadores no habían podido crear un buen catalizador para oxidar el etanol a fin de hacer posible este tipo de pilas de combustible.
Los catalizadores anteriores convertían el etanol en ácido acético y acetaldehído, un proceso que libera solo un par de electrones por molécula de etanol y, por lo tanto, genera bajas corrientes. Romper aún más las moléculas de etanol para producir dióxido de carbono liberaría muchos más electrones (un total de 12 por molécula de etanol) y generaría corrientes más altas, pero eso requiere romper un fuerte enlace entre dos átomos de carbono. Para romper este vínculo, los investigadores tuvieron que aplicar altos voltajes, lo que hizo que el proceso fuera ineficiente: casi todo el voltaje producido al oxidar el etanol se utilizó para mantener la reacción, reduciendo la producción de energía neta a un goteo, dice Manos Mavrikakis, profesor de química y ingeniería biológica en la Universidad de Wisconsin-Madison.
El nuevo catalizador, desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, rompe los enlaces de carbono sin altos voltajes, liberando de manera eficiente suficientes electrones para producir corrientes eléctricas 100 veces más altas que las producidas con otros catalizadores. El siguiente paso es incorporar el catalizador en una celda de combustible, de modo que su desempeño se pueda comparar con el de otros catalizadores en las celdas de combustible, dice Brian Pivovar, científico del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, en Golden, CO, que no fue involucrado en la investigación.
En las pruebas iniciales fuera de una celda de combustible, el catalizador produjo de manera eficiente corrientes de 7,5 miliamperios por centímetro cuadrado. Radoslav Adzic , el químico principal del Laboratorio Nacional de Brookhaven que dirigió el trabajo, dice que está casi seguro de que el catalizador, una vez integrado en una celda de combustible, producirá corrientes eléctricas en el rango de cientos de miliamperios por centímetro cuadrado. Pivovar dice que la estimación parece razonable. Este nivel de corriente, multiplicado por el voltaje anticipado producido por la celda, colocaría las celdas de combustible de etanol en el mismo rango que las celdas de combustible de metanol, produciendo suficiente energía para la electrónica portátil. El etanol es preferible al metanol de varias formas: almacena más energía, es menos tóxico y es más fácil de producir a partir de fuentes renovables. Para impulsar vehículos y competir con el rendimiento de las pilas de combustible de hidrógeno, sería necesario mejorar el catalizador y la pila de combustible. Las corrientes tendrían que estar muy por encima de los 1.000 miliamperios por centímetro cuadrado, dice Andy Herring , profesor de ingeniería química en la Escuela de Minas de Colorado, en Golden, CO.
Para fabricar el catalizador, Adzic depositó pequeños grupos de platino y rodio en nanopartículas de óxido de estaño. En estudios anteriores, se había demostrado que el rodio rompe los enlaces entre los átomos de carbono, pero solo si se vaporiza a altas temperaturas en un vacío ultra alto. La combinación de rodio con óxido de estaño le permitió romper estos enlaces como un sólido y a las temperaturas relativamente bajas necesarias para las pilas de combustible portátiles. El platino juega un papel clave en la producción de protones y electrones a partir de átomos de hidrógeno en etanol.
Quedan por delante retos importantes antes de que el catalizador pueda comercializarse en pilas de combustible de etanol. Además de enfrentar los desafíos de incorporarlo a las celdas de combustible y diseñarlas para producir electricidad de manera eficiente a altas corrientes, los investigadores deberán encontrar formas de reducir los costos. El rodio es el metal precioso más caro, es incluso más caro que el platino, por lo que será necesario reemplazarlo por otro elemento o desarrollar técnicas para reducir la cantidad de rodio necesaria.
Aún así, el nuevo catalizador es una mejora significativa con respecto a los intentos anteriores. Romper el enlace carbono-carbono a bajas temperaturas es un problema extremadamente difícil, dice Herring. El hecho de que [Adzic] esté rompiendo ese vínculo es bastante emocionante. Pero agrega que es solo un paso en el camino hacia este sueño de una celda de combustible de etanol directo.