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Cambio Climático

Un tipo de catalizador puede hacer que las células de combustible sean más económicas

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Este material podría reemplazar al platino en los vehículos a base de hidrógeno.

  • por Kevin Bullis | traducido por Francisco Reyes (Opinno)
  • 02 Abril, 2009

Un nuevo catalizador a base de hierro ha demostrado funcionar igual de bien que los catalizadores a base de platino a la hora de acelerar las reacciones químicas dentro de las células de combustible con hidrógeno. Este hallazgo podría hacer que las células de combustible para los coches eléctricos resultaran más económicas y prácticas.

Los investigadores especializados en las células de combustible llevan tiempo intentando encontrar alternativas al platino más económicas y abundantes. Una onza de platino (28 gramos aproximadamente) cuesta entre 1.000 y 2.000 dólares, y se encuentra en las minas de básicamente dos países: Sudáfrica y Rusia. Hace tiempo que se conoce un catalizador a base de materiales menos caros—hierro, nitrógeno y carbono—pero su velocidad de proceso es demasiado lenta como para ser práctica.

Investigadores del Instituto Nacional de la Investigación Científica (INRS, en sus siglas en francés) en Québec, han logrado acelerar la velocidad de reacción en este tipo de catalizadores a base de hierro. Su material produce 99 amperios por centímetro cúbico a 0.8 voltios, una medición que resulta clave en el proceso de actividad catalítica. Este resultado es 35 veces mejor que el del catalizador más avanzado a base de metales no preciosos que se conoce hasta ahora, y está muy cerca del objetivo del Departamento de Energía en cuanto a catalizadores de células de combustible: 130 amperios por centímetro cúbico. También iguala el rendimiento de los catalizadores de platino convencionales, afirma Jean-Pol Dodelet, profesor de energía, materiales y telecomunicaciones en el INRS y que dirigió las investigaciones.

Esta mejora, que se publica en el último número de la revista Science, es “bastante sorprendente,” señala Radoslav Adzic, uno de los químicos con más antigüedad en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Upton, Estado de Nueva York, y que también desarrolla catalizadores para células de combustible. El nuevo material alcanza unos puntos de referencia en las células de combustible con hidrógeno que hace cinco años “nadie creía que se pudieran alcanzar,” añade Hubert Gasteiger, un profesor invitado de ingeniería mecánica en el MIT. “Por primera vez, tiene sentido construir un catalizador a base de metales no preciosos.”

Los investigadores del INRS se centraron en encontrar la forma de incrementar el número de áreas de acción catalítica dentro del material—al incrementar el número de áreas de reacción química, la cuota general de reacciones dentro del material también aumenta. En sus estudios anteriores, los investigadores habían podido demostrar que al calentar carbono negro (un tipo de carbono en polvo similar al grafito) a altas temperaturas y en presencia de amoníaco y acetato de hierro, esto creaba huecos en el carbono de sólo unos átomos de ancho. Los átomos de nitrógeno se unían a los lados opuestos de estos pequeños huecos, después un ión de hierro hacía de puente entre estos átomos, y con ello acababa formándose un área de catalización activa.

Para poder incrementar el número de áreas, los investigadores utilizaron un tipo de carbono disponible en el mercado y que de por sí ya posee un alto número de estos diminutos poros. Al llenar estos poros con un material a base de nitrógeno y hierro, y después calentar la mezcla, se conseguían unas cuotas de reacción mucho más altas.

El catalizador está diseñado para trabajar con células de combustible de membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane, o PEM en inglés), el tipo de célula favorita de los fabricantes de automóviles  porque es capaz de operar a temperaturas relativamente bajas y tiene una densidad de alto poder energético—es decir, una célula de combustible relativamente pequeña puede producir la suficiente energía como para propulsar un coche. Las células de combustible tipo PEM usan catalizadores a dos electrodos. Un catalizador divide el hidrógeno, y el otro provoca una reacción que combina los protones y el oxígeno para producir agua. La segunda reacción es más difícil de llevar a cabo: con las células de combustible convencionales, el platino se usa en los dos electrodos, pero se necesitan cantidades de hasta 10 veces más en la parte productora de agua. El nuevo catalizador elimina el platino en la parte que produce el agua, eliminando con ello casi todo el platino de la célula de combustible.

Recientemente se han llevado a cabo demostraciones con otro tipo de catalizador a base de metales no preciosos que funciona con un tipo de célula de combustible distinta, llamadas células alcalinas, pero puede que no funcionen bien en los ambientes de alta acidez de las células tipo PEM. De igual modo, muchos investigadores están dando con nuevas formas para reducir la cantidad de platino necesaria, en vez de reemplazar el material entero. Esto podría hacer que las células de combustible fueran más asequibles aunque, a largo plazo, si el uso de células se generaliza será preciso hallar un tipo de catalizador que funcione a base de metales no preciosos, señala Adzic.

Dodelet cree que mientras que su grupo ha “solucionado el problema” del incremento de actividad del catalizador, habrá que superar dos obstáculos significativos antes de que se puedan utilizar de forma práctica con las células de combustible. En primer lugar, la durabilidad del catalizador debe mejorarse. Después de 100 horas de pruebas, las cuotas de reacción bajaron a la mitad. En segundo lugar, y puesto que la velocidad del catalizador depende de los reactantes que se usen, hay que mejorar el transporte de oxigeno y protones dentro del material, algo que Dodelet espera que lleven a cabo los ingenieros de las células de combustible. Adzic afima que el primer paso hacia la corrección de la durabilidad de los materiales se centrará en el estudio del catalizador para entender mejor cómo funciona.

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