Los científicos de la Universidad de Stanford han diseñado un mecanismo electrocatalítico que funciona como el pulmón de un mamífero para convertir el agua en combustible. Su investigación, publicado el 20 de diciembre en la revista Joule , podría ayudar a que las tecnologías de energía limpia existentes funcionen de manera más eficiente.

El acto de inhalar y exhalar es tan automático para la mayoría de los organismos que podría confundirse con un simple, pero el proceso respiratorio de los mamíferos es en realidad uno de los sistemas más sofisticados de intercambio de gases bidireccionales que se encuentran en la naturaleza. Con cada respiro el aire se mueve a través de lo diminuto, bronquiolos de los pulmones en forma de pasaje hasta que alcanza unos sacos diminutos llamados alvéolos. Desde allí, el gas debe pasar al torrente sanguíneo sin simplemente difundirse, lo que provocaría la formación de burbujas dañinas. Es la estructura única de los alvéolos, incluida una membrana de un micrón de espesor que repele las moléculas de agua en el interior mientras las atrae hacia la superficie exterior, lo que evita que se formen esas burbujas y hace que el intercambio de gases sea muy eficiente.

Los científicos del laboratorio del autor principal Yi Cui en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford se inspiraron en este proceso para desarrollar mejores electrocatalizadores:materiales que aumentan la velocidad de una reacción química en un electrodo. "Las tecnologías de energía limpia han demostrado la capacidad de entrega rápida de reactivos gaseosos a la interfaz de reacción, pero la vía inversa (evolución eficiente del producto de gas a partir de la interfaz catalizador / electrolito) sigue siendo un desafío, "dice Jun Li, el primer autor del estudio.

El mecanismo del equipo imita estructuralmente el alvéolo y lleva a cabo dos procesos diferentes para mejorar las reacciones que impulsan tecnologías sostenibles como las pilas de combustible y las baterías de metal-aire.

El primer proceso es análogo a la exhalación. El mecanismo divide el agua para producir gas hidrógeno, un combustible limpio, oxidando las moléculas de agua en el ánodo de una batería mientras las reduce en el cátodo. El gas oxígeno (junto con el gas hidrógeno) se produce y transporta rápidamente a través de un Membrana similar a un alvéolo hecha de polietileno, sin los costos energéticos de formar burbujas.

El segundo proceso es más parecido a la inhalación y genera energía a través de una reacción que consume oxígeno. Se suministra gas oxígeno al catalizador en la superficie del electrodo, por lo que se puede utilizar como reactivo durante reacciones electroquímicas.

Aunque todavía se encuentra en las primeras fases de desarrollo, el diseño parece prometedor. La membrana de nanopolietileno extraordinariamente delgada permanece hidrófoba más tiempo que las capas de difusión de gas convencionales a base de carbono. y este modelo es capaz de lograr tasas de densidad de corriente más altas y un sobrepotencial más bajo que los diseños convencionales.

Sin embargo, este diseño inspirado en los pulmones todavía tiene margen de mejora antes de que esté listo para uso comercial. Dado que la membrana de nanopolietileno es una película a base de polímero, no puede tolerar temperaturas superiores a 100 grados centígrados, lo que podría limitar sus aplicaciones. El equipo cree que este material puede ser reemplazado por membranas hidrófobas nanoporosas igualmente delgadas capaces de resistir un mayor calor. También están interesados ​​en incorporar otros electrocatalizadores en el diseño del dispositivo para explorar completamente sus capacidades catalíticas.

"La estructura que imita la respiración podría combinarse con muchos otros electrocatalizadores de última generación, y una mayor exploración del electrodo trifásico gas-líquido-sólido ofrece oportunidades interesantes para la catálisis, "dice Jun Li.