Nanocables en la mejora de pilas de combustible

El desarrollo de largos nanocables de platino por parte de un equipo de ingenieros de la Universidad de Rochester pronto podría conducir al desarrollo de células de combustible comercialmente viables. Los nuevos cables pueden proporcionar un aumento significativo tanto en la longevidad como en la eficiencia de las pilas de combustible, que hasta ahora han sido utilizadas principalmente para fines muy específicos tales como la alimentación de naves espaciales.

Estos nanocables implementados en las pilas de combustible podrían ofrecer energía a muchos tipos de vehículos, ayudando a reducir el uso de combustibles derivados del petróleo en el transporte, de acuerdo con James CM Li, director del proyecto y profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Rochester.

Muchos ingenieros y científicos han estado trabajando en el desarrollo de pilas de combustible desde hace décadas, sin embargo, todas las tecnologías descubiertas aún no se comercializan. El platino es caro, y el enfoque estándar para su utilización en pilas de combustible está lejos de ser ideal. Estos nuevos nanocables son un paso clave hacia una mejor solución.

Los nanocables de platino diseñados por el equipo de Rochester, tienen aproximadamente diez nanómetros de diámetro y algunos centímetros de longitud, creando el primer auto-soporte en una red de platino puro que puede servir como electrodo en una pila de combustible. Existen nanocables muchos más cortos que ya han sido utilizados en una variedad de tecnologías, como sensores a nanoescala y nanocomputadoras. Para ello se emplea un proceso conocido como electrospinning, una técnica usada para producir fibras sólidas largas ultra-delgadas. A través de ésta técnica fueron capaces de crear nanocables de platino miles de veces más pequeños que los anteriores.

Dentro de una pila de combustible el catalizador facilita la reacción del hidrógeno y del oxígeno, separando el combustible de hidrógeno comprimido en los electrones e iones de hidrógeno ácido. Los electrones son dirigidos a través de un circuito externo al suministro de energía, mientras que los iones de hidrógeno se combinan con los electrones y el oxígeno pasa a formar el “residuo” del producto, generalmente líquido o en vapor de agua.

El platino ha sido el principal material utilizado para la elaboración de catalizadores de pilas de combustible debido a su capacidad para soportar los duros ambientes ácidos en el interior de la pila de combustible. Su eficiencia energética también es sustancialmente mayor que los más baratos de los metales como el níquel.

Los esfuerzos anteriores en la mejora de catalizadores se han basado en gran medida en las nanopartículas de platino con el fin de maximizar la superficie expuesta de platino. La idea básica es simple: Cuanto mayor sea la superficie, mayor será la eficiencia. Pero esto tiene ciertos problemas de enfoque, las nanopartículas están vinculadas a los altos costos del platino.

En primer lugar, las partículas individuales, a pesar de ser sólidas, pueden tocar una a la otra a través del proceso de fusión de la superficie de difusión, que combina la reducción de su superficie total junto a la energía. Como la superficie disminuye, lo mismo ocurre con la tasa de catálisis en el interior de la pila de combustible.

En segundo lugar, las nanopartículas de carbono requieren de una estructura de apoyo en su lugar. Lamentablemente, las partículas de platino no se adjuntan particularmente bien a estas estructuras de carbono, estando sujeto a oxidación y, por tanto, a la degradación. Como el carbono se oxida con el tiempo, más y más partículas se desprenden y se pierden definitivamente.

Los nuevos nanocables evitan por completo estos problemas, con el platino dispuesto en una serie concreta a lo largo, con características flexibles, finas y uniformes, acepta a las partículas que se fijan en su lugar y no necesitan de un apoyo adicional. El platino ya no pierde eficiencia durante la operación normal de una célula de combustible.

La razón por la cual anteriormente no se ha llegado a este tipo de nanocables es debido a su dificultad de concepto, los parámetros que afectan a la morfología de los cables son muy complejos y, cuando no son lo suficientemente largos, se comportan de la misma forma como las nanopartículas.

Uno de los principales desafíos a los que se enfrentó el equipo de ingenieros fue superar la reducción de la formación de bolas de platino a lo largo de los nanocables. Sin condiciones óptimas, a lo largo del cable acaba finalmente tomando forma de lo que se parece más a una serie de perlas intercaladas en un collar. Debido a que el platino es bastante caro, es muy importante que no se produzca ningún residuo a la hora de ejecutar una pila de combustible.

El actual objetivo del equipo de investigadores es optimizar las condiciones en el laboratorio para obtener un menor número de bolas, e incluso desarrollar nanocables de manera más uniforme. Posteriormente, enfocarán sus esfuerzos en hacer una pila de combustible y demostrar de lo que esta tecnología es capaz.

Más información: Universidad de Rochester