Las pilas de combustible se han considerado durante mucho tiempo una fuente de energía prometedora. Estos dispositivos, inventado en la década de 1830, generar electricidad directamente a partir de productos químicos, como hidrógeno y oxígeno, y producen solo vapor de agua como emisiones. Pero la mayoría de las pilas de combustible son demasiado caras, ineficiente, o ambos.

En un nuevo enfoque, inspirado en la biología y publicado hoy (3 de octubre de 2018) en la revista Joule , Un equipo de la Universidad de Wisconsin-Madison ha diseñado una celda de combustible utilizando materiales más baratos y un compuesto orgánico que transporta electrones y protones.

En una pila de combustible tradicional, los electrones y protones del hidrógeno se transportan de un electrodo a otro, donde se combinan con oxígeno para producir agua. Este proceso convierte la energía química en electricidad. Para generar una cantidad significativa de carga en un período de tiempo suficientemente corto, se necesita un catalizador para acelerar las reacciones.

Ahora, el mejor catalizador del mercado es el platino, pero tiene un precio elevado. Esto hace que las celdas de combustible sean caras y es una de las razones por las que solo hay unos pocos miles de vehículos que funcionan con combustible de hidrógeno actualmente en las carreteras de EE. UU.

Shannon Stahl, el profesor de química de la UW-Madison que dirigió el estudio en colaboración con Thatcher Root, profesor de ingeniería química y biológica, dice que se pueden usar metales menos costosos como catalizadores en las pilas de combustible actuales, pero solo si se usa en grandes cantidades. "El problema es, cuando coloca demasiado catalizador en un electrodo, el material se vuelve menos efectivo, " él dice, "conduciendo a una pérdida de eficiencia energética".

La solución del equipo fue empacar un metal de menor costo, cobalto, en un reactor cercano, donde la mayor cantidad de material no interfiere con su desempeño. Luego, el equipo ideó una estrategia para transportar electrones y protones de este reactor a la celda de combustible.

El vehículo adecuado para este transporte resultó ser un compuesto orgánico, llamado quinona, que puede transportar dos electrones y protones a la vez. En el diseño del equipo, una quinona recoge estas partículas en el electrodo de la pila de combustible, los transporta al reactor cercano lleno de un catalizador de cobalto económico, y luego regresa a la celda de combustible para recoger más "pasajeros".

Muchas quinonas se degradan en una sustancia similar al alquitrán después de unos pocos viajes de ida y vuelta. Laboratorio de Stahl, sin embargo, diseñó un derivado de quinona ultraestable. Modificando su estructura, el equipo ralentizó drásticamente el deterioro de la quinona. De hecho, los compuestos que ensamblaron duran hasta 5, 000 horas:un aumento de más de 100 veces en la vida útil en comparación con las estructuras de quinonas anteriores.

"Si bien no es la solución final, nuestro concepto introduce un nuevo enfoque para abordar los problemas en este campo, "dice Stahl. Señala que la producción de energía de su nuevo diseño produce alrededor del 20 por ciento de lo que es posible en las pilas de combustible de hidrógeno actualmente en el mercado. Por otro lado, el sistema es aproximadamente 100 veces más eficaz que las células de biocombustible que utilizan lanzaderas orgánicas relacionadas.

El siguiente paso para Stahl y su equipo es mejorar el desempeño de los mediadores de quinonas, permitiéndoles transportar electrones de manera más efectiva y producir más energía. Este avance permitiría que su diseño coincida con el rendimiento de las pilas de combustible convencionales, pero con un precio más bajo.

"El objetivo final de este proyecto es brindar a la industria opciones libres de carbono para generar electricidad, "dice Colin Anson, investigador postdoctoral en el laboratorio Stahl y coautor de la publicación. "El objetivo es averiguar qué necesita la industria y crear una celda de combustible que llene ese agujero".

Este paso en el desarrollo de una alternativa más barata podría eventualmente ser una bendición para empresas como Amazon y Home Depot que ya usan celdas de combustible de hidrógeno para conducir montacargas en sus almacenes.

"A pesar de los grandes obstáculos, la economía del hidrógeno parece estar creciendo, "añade Stahl, "un paso a la vez."