Un equipo del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías (MackGraphe), de la Universidade Presbiteriana Mackenzie, en São Paulo, Brasil, desarrolló el prototipo de un catalizador bimetálico que podría incrementar la eficiencia de las denominadas células o pilas de combustible, dispositivos que convierten el hidrógeno en electricidad en forma silenciosa y sin emisión de contaminantes. El catalizador de las células de combustible, usualmente fabricado con platino, un elemento raro y caro, promueve la ruptura de la molécula del agua (H2O) que libera átomos separando el oxígeno del hidrógeno. Este último gas es el encargado de alimentar a la célula de combustible, que al igual que una batería eléctrica, puede utilizarse para impulsar vehículos. El catalizador va adosado a los electrodos, dispositivos que aplican una descarga eléctrica en el agua durante el proceso de electrólisis. De esta forma, se estimula a los núcleos del hidrógeno a unirse unos con otros en lugar de intervenir en la formación de nuevas moléculas de agua, que sería su curso natural.
El dispositivo que idearon los científicos de la universidad paulista está integrado por una lámina de óxido de grafeno a la cual se le agregan nanopartículas de oro revestidas por una capa de platino de un átomo de espesor. Esta nanoestructura peculiar, originada por la conjunción de las partículas de ambos metales, sería la responsable de mejorar el rendimiento del dispositivo. El secreto del catalizador residiría en la capa monoatómica de platino sobre oro, que incrementa las propiedades electrónicas del nanomaterial y su capacidad de actuar como catalizador. “Las nanopartículas se ordenan de manera tal que forman una pepita de oro de aproximadamente 1,2 nanómetros con una cáscara de platino”, explica el físico teórico Leandro Seixas, del MackGraphe, uno de los autores del estudio que salió publicado el 29 de enero en el periódico científico ACS Applied Materials & Interfaces, en el cual se describió el proceso de fabricación del dispositivo. Con su capa de platino y el interior de oro, las nanopartículas alcanzan un tamaño máximo de 1,8 nanómetros.
Aparte de mostrarse más eficiente en las pruebas qee se llevaron a cabo, este nuevo catalizador también podría ser más barato, dado que utilizaría cantidades menores de platino que los dispositivos actuales, según informan los investigadores. “El platino es muy caro y el proceso de generación de combustible con ese tipo de catalizadores aún es poco eficiente”, dice Seixas. Tales limitaciones motivaron al equipo del MackGraphe a recurrir a sus conocimientos sobre grafeno y nanoestructuras para intentar manipular el platino y perfeccionar el proceso de obtención de hidrógeno.
En los experimentos y simulaciones, las nanopartículas de oro recubiertas por una lámina de platino funcionaron como catalizadores en forma superior a la de las estructuras elaboradas con partículas macroscópicas de platino, con la aleación oro-platino e incluso con nanopartículas puras de platino. “Cuando recubrimos el oro con platino, esta conjunción resulta más activa que el platino puro”, comenta la química Camila Maroneze, del MackGraphe, otra autora del estudio. “Este fue un aspecto interesante previsto teóricamente que pudimos comprobar experimentalmente”. Para llevar a cabo la parte teórica del trabajo, los científicos contaron con la infraestructura del centro de investigación en materiales bidimensionales de la Universidad Nacional de Singapur, en cuya supercomputadora se realizaron simulaciones con el nuevo material. En cuanto a la etapa experimental, los microscopios de transmisión electrónica del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM, en portugués) de Campinas se utilizaron para visualizar las nanoestructuras obtenidas en laboratorio.
El almacenamiento de energía
Las investigaciones de Seixas y Maroneze, caracterizadas por el equipo de la Mackenzie como ciencia básica, todavía no han generado patentes. La manipulación del oro sobre la base de óxido de grafeno ya había sido descrita en un estudio publicado el año pasado en la revista científica Nanoscale. Con todo, la producción de estas nanopartículas constituye tan solo la etapa inicial de un activo panorama de innovación. En la actualidad, el hidrógeno no se utiliza únicamente en los primeros modelos de automóviles impulsados por células de combustible, sino también en dispositivos destinados al almacenamiento de energía. “La demanda para este segundo tipo de aplicación irá aumentando a medida que se expanda también el uso de la energía solar y la eólica”, anticipa el físico Ennio Peres, de la Universidad de Campinas (Unicamp). “La energía generada por el Sol y por el viento es intermitente y hay que almacenarla para poder utilizarla en los picos de consumo. Si aprovechamos esa energía excedente para producir hidrógeno combustible, podremos almacenarla para usarla más adelante, generando electricidad con esas pilas de combustible”.
Antes de jubilarse, Peres fue el director durante más de una década del Laboratorio de Hidrógeno (LH2) de la Unicamp, que fue el germen de la empresa Hytron, una spin-off brasileña que actúa en el mercado de almacenamiento de energía con hidrógeno. Según el investigador, en el campo de las aplicaciones prácticas, el costo de los catalizadores constituye un punto clave. En las células de combustible, que funcionan como los “motores” de los vehículos y de los generadores, aún no se ha podido obtener un reemplazante eficaz del platino. Y está en marcha una carrera tecnológica para intentar abaratar esos dispositivos.
El grupo de investigación del MackGraphe trabaja en dos frentes, como así también lo hacen otros equipos de diversas universidades y centros de estudios de todo el mundo. Uno de esos frentes consiste en mejorar la eficiencia del platino, tal como se hizo en el trabajo que se ha publicado ahora. El otro se enfoca en hallar sustitutos para ese elemento. “Estamos estudiando otro elemento, el molibdeno, que es mucho más barato que el platino”, dice Seixas. “Cuando se lo combina con azufre, el molibdeno queda estructurado en forma lamelar, o bidimensional, al igual que el grafeno”. El compuesto denominado disulfuro de molibdeno, según explica el físico, puede entonces reestructurarse a escala nanométrica, en un intento de obtener propiedades electrónicas distintas. A este compuesto se lo está mencionando a menudo en la literatura científica del área y será objeto de los próximos trabajos que publicará el grupo.
Proyecto
Grafeno: Fotónica y optoelectrónica. Colaboración UPM-NUS (nº 12/50259-8); Modalidad Proyecto Temático; Programa Spec; Investigador responsable Antonio Helio de Castro Neto (Universidad Presbiteriana Mackenzie); Inversión R$ 13.561.689,05 (para la totalidad del proyecto).
Artículo científico
GERMANO, L. D. et al. Ultrasmall (<2 nm) Au@Pt Nanostructures: Tuning the surface electronic states for electrocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces. 29 ene. 2019.
