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Stanford convierte agua en combustible con un diseño inspirado en los pulmones

Los científicos de la Universidad de Stanford han diseñado un mecanismo electrocatalítico que funciona como el pulmón de un mamífero para convertir el agua en combustible. Su investigación, publicada el 20 de diciembre en la revista Joule, podría ayudar a que las tecnologías de energía limpia existentes funcionen de manera más eficiente.

El acto de inhalar y exhalar es tan automático para la mayoría de los organismos que podría confundirse con simpleza, pero el proceso de respiración de los mamíferos es en realidad uno de los sistemas más sofisticados para el intercambio de gases de dos vías en la naturaleza.

Con cada respiración, el aire se mueve a través de los diminutos bronquiolos de los pulmones, como un pasaje, hasta que alcanza sacos diminutos llamados alvéolos. Desde allí, el gas debe pasar al torrente sanguíneo sin simplemente difundir, lo que causaría la formación de burbujas dañinas. Es la estructura única de los alvéolos, que incluye una membrana de un micrón de espesor que repele las moléculas de agua en el interior y las atrae a la superficie exterior, lo que evita que se formen esas burbujas y hace que el intercambio de gases sea altamente eficiente.

Los científicos del laboratorio del autor principal Yi Cui en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford se inspiraron en este proceso para desarrollar mejores electrocatalizadores: materiales que aumentan la velocidad de una reacción química en un electrodo. “Las tecnologías de energía limpia han demostrado la capacidad del suministro rápido de reactante de gas a la interfaz de reacción, pero la vía inversa, la evolución eficiente del producto de gas desde la interfaz de catalizador / electrolito, sigue siendo un desafío”, dice Jun Li, el primer autor del estudio.

El mecanismo del equipo imita estructuralmente el alvéolo y lleva a cabo dos procesos diferentes para mejorar las reacciones que impulsan tecnologías sostenibles, como las celdas de combustible y las baterías de metal y aire.

El primer proceso es análogo a la exhalación. El mecanismo divide el agua para producir gas de hidrógeno, un combustible limpio, oxidando las moléculas de agua en el ánodo de una batería y reduciéndolas en el cátodo. El gas de oxígeno (junto con el gas de hidrógeno) se produce y se transporta rápidamente a través de una membrana delgada, similar a la de un alveolo, hecha de polietileno, sin los costos de energía de formar burbujas.

El segundo proceso es más parecido a la inhalación y genera energía a través de una reacción que consume oxígeno. El gas de oxígeno se entrega al catalizador en la superficie del electrodo, por lo que puede usarse como reactivo durante las reacciones electroquímicas.

Aunque todavía se encuentra en las primeras fases de desarrollo, el diseño parece ser prometedor. La membrana de nano-polietileno excepcionalmente delgada permanece hidrófoba durante más tiempo que las capas de difusión de gas basadas en carbono convencionales, y este modelo puede lograr mayores tasas de densidad de corriente y un sobrepotencial más bajo que los diseños convencionales.

Sin embargo, este diseño inspirado en los pulmones aún tiene margen de mejora antes de que esté listo para su uso comercial. Dado que la membrana de nano-polietileno es una película a base de polímero, no puede tolerar temperaturas superiores a los 100 grados centígrados, lo que podría limitar sus aplicaciones. El equipo cree que este material puede ser reemplazado por membranas hidrófobas nanoporosas, igualmente delgadas, capaces de soportar un mayor calor. También están interesados ​​en incorporar otros electrocatalizadores en el diseño del dispositivo para explorar completamente sus capacidades catalíticas.

“La estructura que imita la respiración se podría acoplar con muchos otros electrocatalizadores de vanguardia, y una mayor exploración del electrodo trifásico gas-líquido-sólido ofrece oportunidades interesantes para la catálisis”, dice Jun Li.

Más información: Joule, Li y otros: “Electrocatálisis de respiración-imitación para la evolución y reducción de oxígeno” https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30564-6, DOI: 10.1016 / j .joule.2018.11.015

Artículo original (en inglés):

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