Los científicos de la Universidad de Stanford han diseñado un mecanismo electrocatalítico que funciona como un pulmón de mamífero para convertir el agua en combustible. Su investigación, publicada el 20 de diciembre en la revista julio , podría ayudar a las tecnologías de energía limpia existentes a funcionar de manera más eficiente.
El acto de inhalar y exhalar es tan automático para la mayoría de los organismos que podría confundirse con simple, pero el proceso de respiración de los mamíferos es en realidad uno de los sistemas más sofisticados para el intercambio de gases bidireccional que se encuentra en la naturaleza. Con cada respiración, airese mueve a través de los bronquiolos de los pulmones en forma de pasaje hasta llegar a diminutos sacos llamados alvéolos. A partir de ahí, el gas debe pasar al torrente sanguíneo sin simplemente difundirse, lo que provocaría la formación de burbujas dañinas. Es la estructura única de los alvéolos.- Incluyendo una membrana de un grosor de micras que repele las moléculas de agua en el interior mientras las atrae hacia la superficie exterior - que evita que se formen esas burbujas y hace que el intercambio de gases sea altamente eficiente.
Los científicos en el 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 tienendemostró la capacidad del suministro rápido de reactivos gaseosos a la interfaz de reacción, pero la vía inversa, la evolución eficiente del producto gaseoso desde la interfaz 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 pilas de combustible y las baterías de metal y aire.
El primer proceso es análogo a la exhalación. El mecanismo divide el agua para producir hidrógeno gaseoso, un combustible limpio, oxidando las moléculas de agua en el ánodo de una batería mientras las reduce en el cátodo. El gas oxígeno junto con el gas hidrógeno esproducido y transportado rápidamente a través de una membrana delgada, similar a 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 oxígeno se suministra 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 poco común permanece hidrofóbica por más tiempo que las capas de difusión de gas a base de carbono convencionales, y este modelo puede lograr tasas de densidad de corriente más altasy sobrepotencial más bajo que los diseños convencionales.
Sin embargo, este diseño inspirado en los pulmones todavía 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 100 grados Celsius, lo que podría limitarsus aplicaciones. El equipo cree que este material puede ser reemplazado por membranas hidrofóbicas nanoporosas igualmente delgadas capaces de soportar mayor calor. También están interesados en incorporar otros electrocatalizadores en el diseño del dispositivo para explorar completamente sus capacidades catalíticas.
"La estructura que simula la respiración podría combinarse con muchos otros electrocatalizadores de última generación, y la exploración adicional del electrodo trifásico de gas-líquido-sólido ofrece oportunidades emocionantes para la catálisis", dice Jun Li.
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