El nuevo catalizador, una porfirina de cobalto cofacial, se crea mediante un proceso llamado autoensamblaje molecular. Durante este proceso, un vial lleno de moléculas llamadas porfirinas de cobalto (vial a la izquierda) se mezcla con un vial de 'clips' de rutenio (vial en el centro). El producto final el catalizador cofacial de porfirina de cobalto, se muestra en el vial de la derecha. Crédito:Douglas Levere / Universidad de Buffalo
¿Qué es mejor que el platino?
En las pilas de combustible de hidrógeno, la respuesta son las porfirinas de cobalto cofaciales.
Es un bocado decir y si no eres químico Probablemente nunca antes haya oído hablar de estos compuestos. Pero estas moléculas, que son excelentes para facilitar una reacción química necesaria para producir energía a partir del hidrógeno y el oxígeno, podrían ser el próximo gran avance en energía alternativa.
Los compuestos se ensamblan en el laboratorio a partir de bloques de construcción químicos similares a Lego que están diseñados para encajar. Es tecnología de agitar y hornear:los científicos agregan las piezas a un matraz, revuélvalos juntos y agregue calor. Tiempo extraordinario, los bloques de construcción se unen en los lugares correctos para formar los complejos finales.
El material es barato y fácil de producir en grandes cantidades. Esto lo convierte en un candidato ideal para reemplazar los costosos catalizadores de platino que se utilizan en la actualidad en las pilas de combustible de hidrógeno. dice Timothy Cook, Doctor., profesor asistente de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Buffalo, cuyo equipo diseñó los nuevos compuestos autoensamblados.
Tal tecnología podría algún día permitir a los fabricantes de automóviles reducir el precio de los automóviles de hidrógeno, poner los vehículos ecológicos al alcance de más consumidores. Las celdas de combustible de bajo costo también podrían impulsar el desarrollo de otros dispositivos impulsados por hidrógeno, como generadores de respaldo. El hidrógeno se considera una fuente de energía limpia porque las pilas de combustible emiten solo agua como subproducto.
"Reducir el precio de los vehículos de hidrógeno y convertirlos en una opción realista para más personas, necesitamos un catalizador que sea más barato que el platino, "Dice Cook." El catalizador que hicimos se puede autoensamblar en grandes cantidades. Tiene rutenio y cobalto, metales mucho más baratos, y todavía, funciona tan bien o mejor que un catalizador de platino disponible comercialmente que probamos junto con él ".
Un estudio que describe el nuevo material fue publicado el 29 de mayo en Química:una revista europea . Los coautores de Cook incluyeron a la primera autora Amanda N. Oldacre, un reciente doctorado en química de la UB. graduado; Doctorado en Química UB. el estudiante Matthew R. Crawley; y Alan E. Friedman, Doctor., profesor asociado de investigación de diseño e innovación de materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB.
Un catalizador de fabricación propia
El laboratorio de Cook se especializa en autoensamblaje molecular, un proceso poderoso para crear nuevos materiales.
"Cuando pienso en el autoensamblaje molecular, Siempre pienso en Legos ", dice." Tienes bloques de construcción que están diseñados para encajar, como piezas de un rompecabezas. Estos bloques de construcción se atraen entre sí, y cuando los pones juntos y les agregas energía, vienen juntos por su cuenta.
Un matraz de fondo redondo lleno de porfirina de cobalto cofacial, un nuevo catalizador para pilas de combustible de hidrógeno. Crédito:Douglas Levere / Universidad de Buffalo
"El autoensamblaje es una excelente manera de hacer una molécula compleja. Por lo general, para sintetizar un nuevo material, tienes que sumar piezas una a una, lo que requiere tiempo y dinero. El autoensamblaje molecular es más rápido:es un proceso de un solo paso ".
Las porfirinas de cobalto cofaciales consisten en dos moléculas planas llamadas porfirinas de cobalto, que están apilados uno encima del otro como pan de sándwich y unidos por "clips" de rutenio.
Para crear los compuestos finales, El laboratorio de Cook diseñó porfirinas y clips con propiedades químicas que aseguraron que se conectarían entre sí en los lugares correctos. Luego, el equipo mezcló una solución de las porfirinas con los clips y agregó calor. En dos días, las piezas se habían autoensamblado para formar las porfirinas de cobalto cofaciales.
Un catalizador inspirado en la naturaleza
Como el catalizador de platino que están diseñados para reemplazar, las porfirinas de cobalto cofaciales facilitan una reacción química en las pilas de combustible de hidrógeno llamada reducción de oxígeno. Esto implica dividir una molécula de oxígeno en dos átomos de oxígeno separados que luego pueden unirse con el hidrógeno para formar agua, una interacción que produce energía.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las porfirinas son excelentes para atrapar y dividir el oxígeno:en el cuerpo humano, Las versiones a base de hierro de estas moléculas son responsables de ayudar a convertir el oxígeno que respiramos en agua. liberando energía en el proceso, Dice Cook.
El nuevo catalizador, una porfirina de cobalto cofacial, mostrado desde varias perspectivas. El compuesto consta de dos moléculas planas llamadas porfirinas de cobalto, que están apilados uno encima del otro como pan de sándwich y unidos por 'clips' de rutenio. Crédito:Matthew Crawley
Pero diseñar estructuras de porfirina artificiales que actúen como catalizadores ha sido difícil, él añade. El proceso de creación de estos compuestos suele ser caro, involucrando muchos pasos y generando muy poco material al final.
El autoensamblaje resuelve estos problemas:el equipo de Cook creó 79 gramos de porfirinas de cobalto cofaciales por cada 100 gramos de material de partida, mucho mejor que el rendimiento de menos del 1 por ciento que otros laboratorios han informado al sintetizar materiales similares. Además, su equipo pudo intercambiar y probar fácilmente clips de rutenio de diferentes longitudes para ajustar las cualidades electroquímicas del compuesto con miras a diseñar un catalizador ideal.
"Es realmente gratificante trabajar en la química fundamental de este proyecto, que podría tener un gran impacto en la conversión de energía neutra en carbono, "dice Oldacre, el primer autor. "Utilizando técnicas de autoensamblaje, podemos fabricar materiales más baratos en 48 horas, sin lo dificil, pasos de purificación que requieren mucho tiempo y que requieren otros métodos para sintetizar nuevos compuestos ".
