Utilizando una combinación única de métodos computacionales avanzados, los ingenieros químicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desmitificado parte de la compleja química catalítica en las celdas de combustible, un avance que acerca las celdas de combustible rentables a la realidad.
"Comprender los mecanismos de reacción es el primer paso para eventualmente reemplazar el costoso platino en las celdas de combustible con un material más barato", dice Manos Mavrikakis, profesor de ingeniería química y biológica de la UW-Madison.
Mavrikakis y colegas de la Universidad de Osaka en Japón publicaron detalles en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Las celdas de combustible generan electricidad al combinar electrones y protones, proporcionados por un combustible químico como el metanol, con oxígeno del aire. Para hacer que la reacción que genera protones sea más rápida, las celdas de combustible generalmente contienen catalizadores. Con el catalizador adecuado y suficientecombustible y aire, las celdas de combustible podrían proporcionar energía de manera muy eficiente.
Algún día, las celdas de combustible podrían volver obsoletas las baterías de las computadoras portátiles. Meras cucharadas de metanol podrían proporcionar hasta 20 horas de energía continua. Pero las alternativas al costoso catalizador de platino en las celdas de combustible actuales no han surgido porque los científicos aún no entienden completamentela complicada química requerida para producir protones y electrones a partir de combustibles.
Y encontrar un buen catalizador no es una tarea trivial.
"La gente llegó a usar platino para un catalizador en gran parte por ensayo y error, sin comprender cómo se produce la reacción", dice Mavrikakis. "Nuestros esfuerzos desarrollaron una imagen general de cómo está ocurriendo la reacción, y esperamos hacer lo mismoanálisis con otros materiales para ayudar a encontrar una alternativa más barata "
A primera vista, la química suena sencilla: las moléculas de metanol inundadas en un medio acuoso se asientan en una superficie de platino y dejan uno de sus cuatro átomos de hidrógeno. El movimiento de esos electrones desde ese átomo de hidrógeno forma una corriente eléctrica.
En realidad, la situación no es tan simple.
"Todas estas moléculas, el agua y el metanol, en realidad bailan alrededor de la superficie del catalizador y fluctúan continuamente", dice Mavrikakis. "Siguiendo la dinámica de estos movimientos fluctuantes todo el tiempo, y en presencia de un exteriorpotencial eléctrico aplicado, es realmente muy complicado "
Las moléculas de agua no son flores de pared, se sientan al margen de las moléculas de metanol que reaccionan con el platino; más bien, ocasionalmente interrumpen la danza química. Y el voltaje variable en la superficie electrificada del catalizador de platino enreda el ritmo de la reacción aún más.
Anteriormente, los químicos solo simulaban escenarios simplificados: celdas de combustible sin agua en la mezcla o superficies catalíticas que no crepitaran con electricidad. Como era de esperar, las conclusiones basadas en tales simplificaciones excesivas no lograron capturar completamente la enorme complejidad de las reacciones del mundo real.
Mavrikakis y sus colegas combinaron su experiencia en dos poderosas técnicas computacionales para crear una descripción más precisa de un entorno real muy complejo.
Primero utilizaron la teoría funcional de la densidad para resolver las fuerzas y energías mecánicas cuánticas entre átomos individuales, luego construyeron un esquema sobre esos resultados utilizando métodos de dinámica molecular para simular grandes conjuntos de moléculas de agua y metanol que interactúan entre sí y con la superficie de platino.
Las simulaciones detalladas revelaron que la presencia de agua en una celda de combustible juega un papel muy importante al dictar qué átomo de hidrógeno se libera primero del metanol, un resultado que nunca podrían haber capturado métodos más simples. La carga eléctrica también determinó el orden en el que el metanolse descompone, sorprendentemente cambiando el primer paso preferido en el electrodo positivo.
Este tipo de información permite a los científicos predecir qué subproductos podrían acumularse en una mezcla de reacción, y seleccionar mejores ingredientes para futuras pilas de combustible.
"El modelado le permite crear un diseño de materiales informado", dice Mavrikakis, cuyo trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía y la National Science Foundation. "Planeamos investigar combustibles alternativos y una gama de catalizadores prometedores y más baratosmateriales "
Los resultados representan la culminación de seis años de esfuerzo en dos continentes. Jeffrey Herron, el primer autor del artículo, comenzó a desarrollar las metodologías durante una visita de verano para trabajar con el segundo autor del artículo, el profesor Yoshitada Morikawa en la División de PrecisiónCiencia y Tecnología y Física Aplicada en la Universidad de Osaka.
Herron, quien completó su doctorado en 2015 y ahora es ingeniero senior de The Dow Chemical Company, refinó aún más estos enfoques bajo la guía de Mavrikakis durante varios años posteriores en Madison.
"Se trabajó mucho durante muchos años en este documento", dice Mavrikakis. "El mundo necesita pilas de combustible, pero sin comprender cómo se produce la reacción, no hay una forma racional de mejorar".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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