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Un catalizador de hidrógeno más barato
El platino normalmente juega un papel crucial en las pilas de combustible y en la producción de hidrógeno. Ahora, un grupo de investigadores ha demostrado cómo obtener el mismo tipo de reactividad utilizando un metal, el níquel, que es mil veces menos caro que el platino. El grupo: científico investigador Vincent Artero y Alan Le Goff y Serge Palacin en el Comisión central de energía nuclear cerca de París, se utilizaron compuestos a base de níquel unidos químicamente a nanotubos de carbono.
Catalizador de pila de combustible: Un nuevo material catalítico hecho de níquel (que se muestra aquí unido a un electrodo de nanotubos de carbono experimental) podría reducir el costo de las celdas de combustible y la producción de hidrógeno.
El platino se usa típicamente en el proceso de división del agua porque es un catalizador muy efectivo. El problema con el platino es que es un metal muy caro y no hay suficiente en la Tierra para sostener una economía mundial del hidrógeno, dice Artero.
Los electrodos fabricados con el nuevo catalizador serían aproximadamente un 20 por ciento más baratos que los fabricados con platino, dice Artero. Dado que el platino representa aproximadamente un tercio del costo de las celdas de combustible, esto podría tener un impacto significativo en el precio de la tecnología de celdas de combustible.
Los nuevos compuestos se basan en un tipo de enzima llamada hidrogenasa. Normalmente se encuentran en bacterias y algas que viven en condiciones anaeróbicas (o sin oxígeno), estas enzimas son utilizadas por estos organismos como catalizador para metabolizar el hidrógeno, dice Artero. Utilizan exactamente el mismo proceso que las pilas de combustible para mantenerse con vida, dice.
En los últimos años, los investigadores han mostrado un gran interés en utilizar la química molecular para intentar imitar la estructura de estos catalizadores naturales. Debido a que los componentes activos de estos compuestos moleculares son tan reactivos como el platino pero consisten en níquel o hierro, prometen ser mucho más baratos de usar.
Sin embargo, hasta ahora, las moléculas sintéticas de hidrogeno, como las desarrolladas por Daniel DuBois en Pacific Northern National Laboratories en Richland, WA, solo se han demostrado en forma de solución. Para ser de uso práctico, las moléculas deben estar unidas a un electrodo, en lugar de flotar en un líquido.
Al modificar los componentes activos a base de níquel de estos compuestos, Artero y sus colegas encontraron una forma de unir las moléculas a los nanotubos de carbono. Los nanotubos tienen dos ventajas: son muy buenos conductores de electrones y tienen una superficie específica muy alta, dice Artero. Esto significa que es posible cargar una gran cantidad de material catalítico en su superficie, dice.
En las pruebas informadas en la edición de esta semana de la revista Ciencias , el grupo demostró que este catalizador modificado era eficaz y estable para realizar la reacción repetidamente.
Este trabajo representa un avance significativo en la aplicación de electrocatalizadores moleculares para la producción y oxidación de hidrógeno, dice DuBois. Demuestra, dice, que estos catalizadores moleculares altamente reactivos pueden operar de manera eficiente en condiciones que pueden ser prácticas para electrolizadores y celdas de combustibles. Este es un paso importante hacia el movimiento de los catalizadores bioinspirados desde la concepción hasta la práctica.
Nate Lewis , profesor de química en Caltech, está de acuerdo. Este es un paso importante hacia el desarrollo de un sistema completo que separa el agua de la luz solar, dice. Pero Lewis señala que encontrar una manera de unir los catalizadores a una superficie para que puedan usarse en un electrodo es solo una pieza del rompecabezas.
John Turner , investigador en ciencias de la energía en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, CO, agrega que la principal barrera para la producción de hidrógeno a partir de agua y celdas de combustible para el transporte no es la catálisis de hidrógeno, sino la catálisis de oxígeno.
Los catalizadores a base de níquel ya se utilizan en electrolizadores comerciales grandes de varios megavatios, pero estos catalizadores son mucho menos eficientes que los de platino y tienden a ser muy grandes, por lo general alrededor de 10 metros cuadrados.
Turner señala que la corriente producida por el catalizador de Artero es todavía órdenes de magnitud menor que la que se puede lograr con platino. Artero dice que esto se puede remediar con bastante facilidad. Señala que los nanotubos utilizados en los experimentos de su equipo recibieron solo una baja carga del material catalítico. Aumentar esto debería impulsar la corriente: es un vacío que podemos llenar, dice.