Más de la mitad del coste de los conjuntos de baterías de combustibles deriva del platino, según el Departamento de Energía. “Las baterías de combustible no se comercializaron para aplicaciones a mayor escala debido a que el platino es muy costoso”, dice Liming Dai, un profesor de ingeniería de materiales en la University of Dayton, en Ohio, quien dirigió el estudio. “Para los electrodos necesitas un material más barato que tenga alto rendimiento”.
Dai y sus colegas hacen los electrones al depositar conjuntos de nanotubos de carbono en una película compuesta de polímero y nanotubos de carbono. En un artículo de Science, los investigadores muestran que al utilizar el material como cátodo se multiplican por cuatro las densidades de corriente con respecto a los electrodos convencionales cubiertos de platino. “Ha habido muy poco acceso a encontrarle un reemplazo al platino, y los nanotubos podría ser lo indicado”, dice Prashant Kamat, un profesor de química en la University of Notre Dame.
Los nanotubos de carbono a los cuales se conoce por ser resistentes en el sentido eléctrico y mecánico, podrían vencer los obstáculos con los cuales se enfrenta el platino. El monóxido de carbono se puede adherir a la superficie del platino y hacer que sea menos efectivo, dice Dai. Además, el platino no es demasiado duradero, y sus propiedades se degradan a través del tiempo. “Los nanotubos de carbono tienen estabilidad funcional a largo plazo y no padecen el envenenamiento del monóxido de carbono”, dice Dai.
Los investigadores también demostraron que los nanotubos colaboran en la química que aparece en un tipo de baterías de combustible muy eficientes que se llaman baterías de combustible alcalinas. Hasta ahora se ha limitado el uso de esas baterías a generar energía en las naves espaciales, pero el nuevo adelanto podría abrir las puertas para que ingresen al mercado de los vehículos. Los nanotubos de carbono estimuladas con nitrógeno también podrían funcionar para las baterías de combustible con membrana electrolito de polímero (PEM) que también se están ponderando para los vehículos, dice Dai.
Las baterías de combustible convencionales PEM para automóviles contienen dos electrodos cubiertos de platino. El catalizador parte al hidrógeno en el ánodo y se obtienen iones y electrones de hidrógeno ácido. Los iones de hidrógeno fluyen a traves de una membrana de electrolito hacia el cátodo mientras que los electrones salen de la batería para generar una corriente eléctrica. Las baterías de combustible alcalinas también usan electrodos cubiertos de platino, pero utilizan hidroxido de potasio como electrolito. El hidrógeno y el oxígeno en estas baterías reaccionan y forman iones y electrones hidróxilos.
La reacción del cátodo, donde las moléculas de oxígeno se combinan con los electrones, limita la eficacia de la batería de combustible. La reacción es al menos del orden de una magnitud más lenta que en el ánodo, dice Kamat. Catalizadores baratos y sin embargo más eficientes para el cátodo serían un descubimiento que cambiarían la situación, según él.
Para crear los electrodos de nanotubos, Dai y sus colegas comienzan con un compuesto que contiene carbono, nitrógeno y hierro. Colocan esto sobre una superficie de cuarzo y lo calientan en presencia de amoníaco, lo que da como resultado nanotubos de carbono estimulados nitrógeno que crecen verticalmente respecto de la superficie. Luego, ellos oxidan el conjunto para quitar el hierro residual y pasan el conjunto a la película de polímero. Al sumergir al electrodo en un electrolito de hidróxido de potasio, los investigadores hallaron que se acelera la reacción del cátodo de oxígeno y electrones.
Mientras tanto otros están trabajando en los distintos sustitutos al platino. Kotaro Sasaki, que realiza investigación sobre catalizadores de baterías de combustible en el Brookhaven National Laboratory y sus colegas en Brookhaven están haciendo películas de platino con la densidad de un átomo, que precisarían mucho menos del metal precioso. Los investigadores en la Monash University, en Australia, han hecho cátodos con un polímero llamado PEDOT. En el Argonne Natuional Laboratory, los investigadores han hecho conjuntos de nanotubos cargados con pequeñas cantidades de platino o hierro.