Los investigadores desarrollan un complejo de rutenio (III) altamente simétrico con seis grupos imidazol-imidazolato para la conducción eficiente de protones a alta temperatura en pilas de combustible. Crédito:Universidad de Ciencias de Tokio
A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, las pilas de combustible están recibiendo mucha atención. La principal ventaja de las pilas de combustible es que utilizan hidrógeno, un combustible limpio, y producen solo agua como subproducto mientras generan electricidad. Esta nueva y limpia fuente de electricidad podría reemplazar las baterías de iones de litio convencionales, que actualmente alimentan todos los dispositivos electrónicos modernos.
La mayoría de las celdas de combustible utilizan una membrana Nafion, una membrana iónica basada en un polímero sintético, que sirve como un electrolito sólido conductor de protones a base de agua. Sin embargo, el uso de agua como medio de conducción de protones crea un gran inconveniente para la pila de combustible, a saber, la incapacidad de funcionar correctamente a temperaturas superiores a 100 °C, la temperatura a la que el agua comienza a hervir, lo que provoca una caída en la conductividad de protones. . Por lo tanto, existe la necesidad de nuevos conductores de protones que puedan transferir protones de manera eficiente incluso a temperaturas tan altas.
En un avance reciente, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor Makoto Tadokoro de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), informó sobre un nuevo conductor de protones de alta temperatura basado en un complejo metálico de imidazol-imidazolato que muestra una conductividad de protones eficiente incluso a 147 ° C. El equipo de investigación incluyó al Dr. Fumiya Kobayashi de TUS, el Dr. Tomoyuki Akutagawa y el Dr. Norihisa Hoshino de la Universidad de Tohoku, el Dr. Hajime Kamebuchi de la Universidad de Nihon, el Dr. Motohiro Mizuno de la Universidad de Kanazawa y el Dr. Jun Miyazaki de la Universidad Tokyo Denki.
"El imidazol, un compuesto orgánico que contiene nitrógeno, ha ganado popularidad como conductor de protones alternativo por su capacidad de operar incluso sin agua. Sin embargo, tiene una tasa de transferencia de protones más baja que el Nafion usado convencionalmente y se funde a 120°C. Para superar estos problemas, introdujimos seis fracciones de imidazol en un ion de rutenio (III) para diseñar un nuevo complejo metálico que opera como un portador de múltiples protones y tiene estabilidad a alta temperatura", explica el profesor Tadokoro cuando se le pregunta sobre la razón de ser de su estudio, que fue publicado en Chemistry—A European Journal y aparece en la portada de la revista.
En un nuevo estudio, investigadores de Japón han desarrollado un nuevo complejo de iones de rutenio (III) con seis grupos imidazol/imidazolato que pueden operar como portadores de múltiples protones y muestran estabilidad a altas temperaturas. La imagen superior muestra el modo de transporte de protones por debajo de 147 ˚C, que implica rotaciones localizadas individuales de los seis grupos de imidazol individuales y saltos de protones a otros complejos de rutenio (III). La imagen inferior muestra el modo de transporte de protones por encima de 147 ˚C, donde toda la molécula sufre rotación. Crédito:Makoto Tadokoro de la Universidad de Ciencias de Tokio
El equipo diseñó una nueva molécula en la que tres imidazol (HIm) y tres imidazolato (Im - ) estaban unidos a un ion central de rutenio (III) (Ru 3+ ). El cristal molecular único resultante era muy simétrico y se parecía a una forma de "estallido". Al investigar la conductividad de protones de este complejo metálico tipo estallido estelar, el equipo descubrió que cada uno de los seis grupos de imidazol unidos al Ru 3+ ion actúa como un transmisor de protones. Esto hizo que la molécula fuera 6 veces más potente que las moléculas HIm individuales, que solo podían transportar un protón a la vez.
El equipo también exploró el mecanismo subyacente a la capacidad de conducción de protones a alta temperatura de las moléculas del estallido estelar. Descubrieron que a una temperatura de más de –70 °C, la conductividad de protones era el resultado de rotaciones individuales localizadas de HIm e Im - grupos y salto de protones a otros Ru(III) complejos en el cristal a través de enlaces de hidrógeno. Sin embargo, a temperaturas superiores a 147 °C, la conductividad de protones surgió de la rotación de la molécula completa, que también fue responsable de la conductividad de protones superior a altas temperaturas. Esta rotación, confirmada por el equipo usando una técnica llamada "estado sólido 2 espectroscopia H-RMN", dio como resultado una tasa de conductividad tres órdenes de magnitud mayor (σ =3,08 × 10 -5 S/cm) que el de las moléculas HIm individuales (σ =10 -8 S/cm).
El equipo cree que su estudio podría actuar como un nuevo principio impulsor para los electrolitos de estado sólido conductores de protones. Los conocimientos de su nuevo diseño molecular podrían utilizarse para desarrollar nuevos conductores de protones de alta temperatura, así como para mejorar la funcionalidad de los existentes. "Las pilas de combustible son la clave para un mañana más limpio y verde. Nuestro estudio ofrece una hoja de ruta para mejorar el rendimiento de estos recursos energéticos neutros en carbono a altas temperaturas mediante el diseño e implementación de conductores de protones moleculares que pueden transferir protones de manera eficiente a tales temperaturas", concluye. Profesor Tadokoro. Nuevos conductores de protones con capas inherentemente deficientes en oxígeno abren un futuro sostenible
