En la búsqueda de nanomateriales para un futuro sustentable

Actualmente nos encontramos en una etapa de transición energética a nivel mundial debido a que el uso de combustibles fósiles está dejando de ser una alternativa viable para satisfacer la creciente demanda de energía, no solo por la disminución de las reservas de este recurso, si no por el alto impacto al cambio climático y problemas de contaminación ambiental asociados con la emisión de gases de efecto invernadero.

La electroquímica nos brinda soluciones tecnológicas para resolver problemas desafiantes en el sector energético.

Los dispositivos electroquímicos para la conversión continua de energía limpia (celdas de combustible), son piezas fundamentales para impulsar la implementación de sistemas de energía sustentables.

Las celdas de combustible se usan para generar electricidad; es una tecnología prometedora en el camino hacia la menor dependencia a las fuentes de energía derivadas del petróleo. Sin embargo, lograr altas eficiencias energéticas es una tarea multidisciplinaria y multifactorial.

Podemos imaginar que al subir una escalera, necesitamos de un impulso para ir avanzando escalón por escalón y el grado de ese impulso determinaría que tan lento o rápido llegamos hasta el final. Así se puede ver el proceso de generación de energía a través de reacciones electroquímicas.

El electrocatalizador, principal componente de las celdas de combustible, es el material que proporciona ese impulso o energía en cada etapa del proceso. Si el electrocatalizador no logra superar eficientemente los requerimientos de energía, la productividad energética se ve afectada, limitando el desarrollo de la tecnología.

Aportes de la nanotecnología

Se tiene que reconocer el gran trabajo de investigación desarrollado durante varias décadas en el area de la nanotecnología y la electrocatálisis, incluyendo los fundamentos esenciales sobre el mecanismo de reacción que rigen el funcionamiento de las celdas de combustible y los métodos de síntesis de nanomateriales (materiales que no superan los 100 nanómetros en al menos una dimensión), nos proporciona las herramientas suficientes para diseñar racionalmente electrocatalizadores competitivos y potenciales, que mejoren la viabilidad de los procesos electroquímicos para llevarlos a escala industrial.

El próximo paso requiere integrar grandes esfuerzos en la ingeniería de nuevas superficies catalíticas para disponer de nanomateriales altamente eficientes.

El diseño de electrocatalizadores altamente eficientes considera la necesidad de una sobresaliente actividad catalitica y una alta estabilidad. Además, los múltiples y complejos pasos de reacción, simultáneamente forman especies intermediarias activas, pero también especies de envenenamiento, las cuales, son indeseables ya que se adsorben fuertemente en el electrocatalizador y lo desactivan.

Entonces, los nanomateriales deben ser capaces de prevenir la formación y acumulación de las especies de envenenamiento o transformarlas para que fácilmente logren desadsorberse y liberar los sitios catalíticos. Por lo tanto, se requieren nanomateriales multifuncionales que presenten adecuadas energías de interacción entre las especies químicas involucradas para optimizar simultáneamente todos los pasos de reacción.

También es indispensable considerar la durabilidad. Necesitamos contar con nanomateriales capaces de trabajar bajo las condiciones de operación, sin sufrir graves problemas de degradación estructural, esto para poder mantener su alto rendimiento catalítico a largo plazo.

Las técnicas electroquímicas son herramientas poderosas y altamente sensibles para evaluar las propiedades catalíticas de la superficie activa.

En el grupo de trabajo perteneciente al área de nanomateriales del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA) de la UNAM, reconocemos que el diseño racional de electrocatalizadores multifuncionales está directamente vinculado con las propiedades estructurales de la fase activa. Para esto, nos enfocamos en la síntesis controlada de nanopartículas bimetálicas con estructura núcleo-coraza y aleación.

Hemos comprobado que los efectos sinérgicos de una nanoestructura bimetálica, originados por la interacción de ambos metales que la componen, resulta en la formación de nuevas superficies con propiedades únicas y superiores a los metales individuales.

Además, estudiamos la relación que existe entre sus propiedades fisicoquímicas por medio de un análisis detallado de las características de tamaño, dispersión, morfología, composición y configuración elemental de las nanopartículas, utilizando diferentes técnicas de caracterización con apoyo del Laboratorio Nacional de Caracterización de Materiales (LaNCaM). Así, a través de la síntesis de nanopartículas uniformes y su caracterización estructural es posible soportar y verificar las relaciones de estructura-propiedad.

Hemos sintetizado nanomateriales bimetálicos con propiedades catalíticas para la reacción de oxidación de metanol y etanol, los cuales presentaron una alta actividad catalítica, mejor estabilidad y mayor durabilidad que el Platino (Pt) comercial.

Asimismo, mediante el diseño de una prueba alternativa y equivalente a la conocida como voltamperometría de CO-stripping, se observó una disminución en la cobertura de especies de CO y una fácil desorción de los sitios activos.

De modo que podemos inferir que los electrocatalizadores desarrollados superaron notablemente el rendimiento catalítico del Pt, metal que hasta la fecha se considera el máximo representante para la aplicación en celdas de combustible de alcohol directo.

Finalmente, nos permitimos reconocer que aunque ya se tiene un camino avanzado en la nanotecnología y la electrocatálisis, aún quedan grandes posibilidades por explorar y propiedades catalíticas de los nanomateriales por descubrir. Por consiguiente, la búsqueda de un electrocatalizador intrínsecamente activo sigue en curso.

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