Las pilas de combustible de etanol se consideran fuentes prometedoras de electricidad verde. Sin embargo, en su producción se utilizan costosos catalizadores de platino. La investigación sobre la fusión por láser de suspensiones llevada a cabo en el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias en Cracovia ha llevado a los investigadores a encontrar materiales que catalizan el etanol con una eficiencia similar (y potencialmente incluso mayor) a la del platino, pero que están hechos de un elemento eso es muchas veces más barato que el platino.
Cuando los pulsos láser irradian una suspensión de nanopartículas, las partículas de la suspensión pueden comenzar a derretirse y a pegarse permanentemente, mientras experimentan rápidamente reacciones químicas que son más o menos complejas. Uno de los materiales obtenidos recientemente de esta manera, producido en el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia, resulta tener una eficiencia inesperadamente alta para catalizar el etanol, un compuesto considerado como una fuente energética prometedora. fuente de pilas de combustible.
El etanol es un combustible con muchas ventajas:se puede producir de forma renovable (por ejemplo, a partir de biomasa), se puede almacenar fácilmente y tiene una baja toxicidad. Lo que es de particular importancia, sin embargo, es el hecho de que se puede obtener hasta varias veces la cantidad de electricidad de una unidad de masa de etanol en comparación con las fuentes de energía populares actuales.
La electricidad en las pilas de combustible alimentadas con etanol se genera mediante procesos asociados con la oxidación de este alcohol en la capa catalítica de la reacción. Desafortunadamente, los catalizadores actuales no permiten la oxidación rápida y completa del etanol a agua y dióxido de carbono. Como resultado, las células no sólo no logran alcanzar la máxima eficiencia, sino que también producen subproductos indeseables que se depositan en el catalizador y, con el tiempo, provocan la desaparición de sus propiedades.
"Un obstáculo considerable para el éxito comercial de las células de etanol es también su precio. El catalizador que hemos encontrado puede tener un impacto significativo en su reducción y, en consecuencia, en la disponibilidad de nuevas células en el mercado de consumo. Esto se debe a que su componente principal "No es platino, sino cobre, que es casi 250 veces más barato que el platino", afirma el Dr. Mohammad Shakeri (FIP PAN), primer autor del artículo publicado en la revista Advanced Functional Materials.
El logro de los científicos de la FIP PAN es el resultado de una investigación realizada sobre el control láser del tamaño y la composición química de los aglomerados en suspensión. La idea principal detrás de la nanosíntesis láser de compuestos es la irradiación de una suspensión que contiene aglomerados de nanopartículas de una sustancia química específica con pulsos de luz láser desenfocada con parámetros adecuadamente seleccionados.
La energía adecuadamente entregada hace que la temperatura de las partículas aumente, se derritan en la superficie y se agrupan en estructuras cada vez más grandes, que se enfrían rápidamente al entrar en contacto con el líquido frío circundante. La temperatura que alcanzan las partículas está determinada por muchos factores, entre ellos la energía de los fotones emitidos por el láser, la intensidad del haz, la frecuencia y duración de los pulsos, e incluso el tamaño de los aglomerados en suspensión.
"Dependiendo de la temperatura alcanzada por los aglomerados, además de cambios puramente estructurales, pueden tener lugar en el material diversas reacciones químicas. En nuestra investigación nos hemos centrado en el análisis teórico y experimental más preciso de los fenómenos físicos y químicos en suspensiones en las que los pulsos de luz láser fueron absorbidos por nanopartículas de cobre y sus óxidos", explica la Dra. Zaneta Swiatkowska-Warkocka (FIP PAN).
En el caso de partículas de solución real, el aumento de temperatura se produce en nanosegundos, demasiado rápido para poder medirlo. En esta situación, los análisis teóricos de dinámica molecular se convirtieron en el primer paso para comprender los sistemas de cobre estudiados, apoyados en etapas posteriores por simulaciones realizadas por el grupo de computadoras Prometheus de Cracovia.
Gracias a ellos, los investigadores determinaron a qué temperaturas se calentarían los aglomerados de distintos tamaños y qué compuestos podrían formarse en estos procesos. Además, comprobaron si estos compuestos serían termodinámicamente estables o sufrirían más transformaciones. Los físicos utilizaron los conocimientos adquiridos para preparar una serie de experimentos en los que se fusionaron con láser nanopartículas de cobre y sus óxidos en diversas proporciones.
Los materiales compuestos obtenidos fueron probados en los laboratorios de la FIP PAN y en el ciclotrón SOLARIS de Cracovia, entre otros, para determinar el grado de oxidación de los compuestos de cobre. La información obtenida permitió a los investigadores identificar el catalizador óptimo. Resultó ser un sistema de tres componentes construido a partir de proporciones apropiadas de cobre y sus óxidos del primer y segundo estado de oxidación (es decir, Cu2 O y CuO).
"Desde el punto de vista de la eficiencia de la catálisis del etanol, el descubrimiento crucial fue que las partículas de óxido de cobre Cu2 O3 , que suele ser termodinámicamente muy inestable, estaban presentes en nuestro material. Por un lado, se caracterizan por un grado de oxidación extremadamente alto; por otro, se encuentran principalmente en la superficie del Cu2. O partículas, lo que en la práctica significa que tuvieron muy buen contacto con la solución. Son estos Cu2 O3 partículas que facilitan la adsorción de las moléculas de alcohol y la ruptura de los enlaces carbono-hidrógeno en ellas", afirma el Dr. Shakeri.
Las pruebas sobre las propiedades del catalizador producido por los físicos de Cracovia concluyeron con resultados optimistas. El compuesto seleccionado conservó la capacidad de oxidar completamente el etanol incluso después de varias horas de uso. Además, su eficiencia electrocatalítica resultó comparable a la de los catalizadores de platino contemporáneos.
Desde una perspectiva científica, este resultado es absolutamente sorprendente. La catálisis generalmente es más eficiente cuanto mayor es la superficie de los aglomerados, lo que tiene que ver con la fragmentación de su estructura. Sin embargo, el compuesto estudiado no tenía un tamaño nanométrico, sino varios órdenes de magnitud mayor, de tamaño submicrónico. Por lo tanto, parece probable que si los físicos logran reducir el tamaño de las partículas en el futuro, la eficiencia del nuevo catalizador podría aumentar aún más.
Más información: Mohammad Sadegh Shakeri et al, Solidificación-fusión local alternativa de nanopartículas suspendidas para la formación de heteroestructura habilitada por irradiación láser pulsada, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202304359
Información de la revista: Materiales funcionales avanzados
Proporcionado por la Academia Polaca de Ciencias
