El oxígeno amenaza los catalizadores sostenibles que utilizan hidrógeno para producir electricidad en pilas de combustible. Investigadores de Bochum y Marsella han desarrollado una forma de combatir esto.

Los catalizadores eficientes para convertir hidrógeno en electricidad en pilas de combustible para la transición energética se basan a menudo en costosos, metales raros como el platino. El uso de metales y componentes biológicos más baratos que funcionan con la misma eficacia ha acortado hasta ahora la vida útil de los catalizadores, ya que son sensibles al oxígeno. Un equipo de investigación de Bochum y Marsella ha logrado integrar un catalizador de este tipo dentro de una película protectora extremadamente delgada de bloques de construcción molecular que lo protege del oxígeno y, por lo tanto, hace que su vida útil sea prácticamente infinita al tiempo que mantiene su capacidad para funcionar de manera eficiente. El equipo informa en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 16 de septiembre de 2019.

Los investigadores dirigidos por el profesor Nicolas Plumeré del Cluster de Excelencia Ruhr Explores Solvation (Resolv) en Ruhr-Universität Bochum (RUB) trabajaron en este estudio junto con el Dr. Vincent Fourmond y el Dr. Christophe Léger del Centre national de la recherche scientifique Marseille. .

Las capas gruesas no son buenas en la práctica

Los equipos han estado trabajando durante algún tiempo para hacer que los biocatalizadores eficientes que contienen hidrogenasas sensibles al oxígeno duren más. "Desarrollamos un mecanismo de autodefensa basado en una película de polímero conductor hace unos cinco años, "explica Nicolas Plumeré. Los electrones producidos durante la oxidación del hidrógeno se transportan a través de la película y reaccionan con el oxígeno, que se elimina así antes de que pueda llegar al interior del catalizador, donde se encuentran las enzimas sensibles al oxígeno. "Sin embargo, no fue posible utilizar los catalizadores en la práctica, "dice el investigador." A más de 100 micrómetros, las películas de polímero eran tan gruesas que obstaculizaban la eficacia ".

En el trabajo actual, los investigadores muestran que, incluso en una película de polímero mucho más delgada, las hidrogenasas están a salvo del oxígeno. "Asombrosamente, estas películas, que tienen solo unos pocos micrómetros de espesor, son incluso más robustos que los más gruesos, ", dice Nicolas Plumeré. El 50 por ciento del catalizador ahora contribuye a la catálisis; la cifra fue sólo del 0,3 por ciento para las películas protectoras más gruesas.

Capa protectora definida hecha de diminutas esferas moleculares

Los componentes básicos que componen la película protectora son el núcleo del nuevo desarrollo. Para esto, los investigadores utilizan esferas diminutas con un diámetro de solo cinco nanómetros, todos los cuales tienen una estructura idéntica, conocidos como dendrímeros. Esto les permitió controlar con precisión el grosor de la capa resultante.

Los dendrímeros pueden transportar electrones de manera más eficiente que los polímeros utilizados anteriormente. "Este aumento de la conductividad significa que los electrones se mueven más rápidamente a través de la película y pueden detener el oxígeno a una mayor distancia del catalizador, "explica Plumeré.

22, 000 años de catálisis eficiente

Los investigadores se sorprendieron al observar que el espesor de la película protectora tiene un efecto significativo en la vida útil del catalizador:en una película de tres micrómetros de espesor, un catalizador sobrevive en presencia de oxígeno solo durante unos diez minutos. Si la película tiene un espesor de seis micrómetros, la vida útil puede extenderse hasta un año en las mismas condiciones. "Otros dos micrómetros de espesor teóricamente prolongan la vida útil del catalizador a 22, 000 años, "dicen los investigadores, asombrado.

La asistencia al prójimo prolonga la vida

El equipo se sorprendió igualmente de que la película protectora no solo mantiene alejadas las moléculas de oxígeno dañinas, pero incluso es capaz de reactivar un catalizador que ya no es funcional suministrándole electrones de un catalizador activo vecino. "En otras palabras:los catalizadores de esta película protectora no solo se protegen a sí mismos, pero también el uno al otro, ", resume Plumeré. Esta propiedad también permite que los catalizadores tengan una vida infinita en capas protectoras de apenas tres micrómetros de espesor.

"Esta longevidad extrema nos acerca un paso más al uso de biocatalizadores sensibles al oxígeno en las pilas de combustible, "dice el equipo de investigación.