Científicos de la Universidad de Stanford, en California, Estados Unidos, han diseñado un mecanismo electrocatalítico que funciona como el pulmón de un mamífero para convertir el agua en combustible. Su investigación, publicada este jueves en la revista 'Joule', podría ayudar a que las tecnologías de energía limpia existentes a funcionar de manera más eficiente.
El acto de inhalar y exhalar es muy automático para la mayoría de los organismos, pero el proceso de respiración de los mamíferos es en realidad uno de los sistemas más sofisticados de 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 conducto, hasta que alcanza sacos diminutos llamados alvéolos.
Desde allí, el gas debe pasar al torrente sanguíneo sin simplemente difundirse, lo que causaría la formación de burbujas dañinas. Es la estructura única de los alvéolos, que incluye una membrana de un micrón de espesor la 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 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 reto», dice el primer autor del estudio, Jun Li.
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 células 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 alvéolo, hecha de polietileno, sin los costos de energía de formación de burbujas.
El segundo proceso es más parecido a la inhalación y genera energía a través de una reacción que consume oxígeno. El gas oxígeno se suministra al catalizador en la superficie del electrodo, por lo que puede usarse como reactivo durante las reacciones electroquímicas.
Diseño prometedor
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 sobre-potencial 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 reemplazarse por membranas hidrófobas nanoporosas, igualmente delgadas, capaces de soportar más calor. Los autores 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.