Celdas de combustible, un aporte para la transición energética

Celdas de combustible, un aporte para la transición energética

Martes 24 De Agosto De 2021
Brenda Macías/DInvP

La Universidad Iberoamericana, en colaboración con la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y el Instituto Politécnico Nacional (IPN), hace investigación para favorecer la transición energética en México. Entre los estudios experimentales más importantes se encuentra la fabricación de metales a escala nanométrica: electrocatalizadores para celdas de combustible.

En este texto, la Dra. Esther Ramírez Meneses, académica del Departamento de Ingeniería Química, Industrial y de Alimentos de la IBERO, explica qué son las celdas de combustible, cómo funcionan y cuáles son las limitaciones que impiden que las celdas se fabriquen a gran escala.

De qué manera las celdas de combustible pueden impactar en la industria automotriz y no sólo en la de los electrónicos. Por ahora, la comunidad académica sigue explorando las nanopartículas bimetálicas libres de platino como alternativa para mejorar estos dispositivos.

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Los alcoholes como el metanol o el etanol pueden ser usados como combustible para generar energía. Este tipo de compuestos son el combustible de los dispositivos electroquímicos de conversión de energía llamados celdas de combustible. Estas celdas de combustible se han desarrollado desde los años cincuenta del siglo XX. Sin embargo, debido al costo de estos dispositivos, aún no es del todo rentable su comercialización a gran escala.

Existen diversos tipos de celdas de combustible según el tipo de electrolito –sustancia que contiene en su composición iones libres– que emplean y esto a su vez determina su temperatura de operación: celdas que operan a baja temperatura como las alcalinas (AFC), de membrana de intercambio protónico (PEMFC), de metanol directo (DMFC) y de ácido fosfórico (PAFC). Las celdas de combustible de alta temperatura se clasifican en dos tipos: las de carbonatos fundidos (MCFC) y las de óxido sólido (SOFC).

De las anteriores, en general, las celdas de combustible de alcohol directo (DAFCs) han ganado considerable atención por su potencial para vehículos y dispositivos electrónicos portátiles. El uso de alcoholes de bajo peso molecular tales como metanol o etanol como fuentes de energía tiene numerosas ventajas, ya que, por ejemplo, estos compuestos pueden ser manipulados, almacenados y transportados fácilmente a diferencia del hidrógeno.

Sin embargo, hay limitaciones relacionadas a las aplicaciones de las DAFCs, incluyendo el alto costo de los dispositivos finales, bajos niveles de actividad electrocatalítica y durabilidad reducida. Hasta ahora, los electrocatalizadores más comunes en DAFCs contienen platino y aleaciones de platino (Pt) por la excepcional actividad electrocatalítica de estos materiales. No obstante, el Pt presenta aún algunos retos en aplicaciones a gran escala debido a su alto costo y su envenenamiento por monóxido de carbono (CO) generado durante la reacción de oxidación del metanol en el ánodo.

Las celdas de combustible alcalinas de alcohol directo presentan una importante ventaja, ya que permiten usar catalizadores metálicos libres de Pt. Por otra parte, se ha encontrado que aleaciones formadas por un segundo metal tal como hierro (Fe), cobalto (Co), oro (Au) o níquel (Ni), el ambiente electrónico interno del material puede ser modificado y así mejorar la propiedad electrocatalítica del mismo.

Por estas razones, el desarrollo y obtención de catalizadores bimetálicos son un tema de investigación importante para aplicaciones como materiales de electrodo en reacciones de oxidación de alcoholes de bajo peso molecular como son metanol o etanol debido a su actividad y estabilidad mejorada que es diferente de los componentes monometálicos. Con base en lo anterior, las nanopartículas metálicas muestran un interés considerable como catalizadores en reacciones orgánicas e inorgánicas, como electrocatalizadores en celdas de combustible o materiales con nuevas propiedades electrónicas, ópticas y magnéticas.

Diversos trabajos de investigación están dedicados al desarrollo de métodos de síntesis para la obtención de nanopartículas metálicas con un adecuado control de tamaño, forma y dispersión. En la última década, se han reportado comparaciones del efecto del método de síntesis en el desarrollo catalítico de nanopartículas metálicas cuando se usan como electrocatalizadores para electrooxidación de metanol o etanol en medio alcalino. La obtención de nanopartículas metálicas se lleva a cabo por diferentes metodologías dentro de las cuales se encuentran las síntesis químicas porque presentan más ventajas.

Métodos de síntesis químicos se emplean en el Laboratorio de Síntesis de Nanomateriales del Departamento de Ingeniería Química, Industrial y de Alimentos de la Universidad Iberoamericana desde el año 2009. La principal ventaja de uno de los métodos de síntesis químicos empleados a partir de precursores organometálicos –compuestos en los que los átomos de carbono de un ligado orgánico forman enlaces covalentes con un átomo metálico– es que al descomponerse liberan los átomos metálicos de interés en solución orgánica, en presencia de diferentes agentes estabilizantes y condiciones no drásticas.

De esta manera, puede lograrse el control de tamaño, forma y estado de superficie de las nanopartículas metálicas, por lo que facilita la generación de sistemas monodispersos –forma y tamaño de partículas homogéneos–. Nanopartículas bimetálicas también pueden ser preparadas por este enfoque organometálico.

Por ejemplo, nanopartículas de PdNi estabilizadas por hexadecilamina (HDA) fueron preparadas y evaluadas como electrocatalizadores para la reacción de electrooxidación de metanol y mostraron excelente actividad electrocatalítica.

Investigación colaborativa entre la IBERO e instituciones públicas

Con base a nuestros estudios previos sobre las propiedades electroquímicas de nanopartículas bimetálicas, exploramos más el interés de nanopartículas bimetálicas libres de platino. Estos proyectos en torno a la síntesis de nanomateriales con aplicaciones en reacciones de interés en celdas de combustible se llevan a cabo en colaboración con el Laboratorio de Electroquímica y Corrosión de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas, ESIQIE del Instituto Politécnico Nacional (IPN), el CICATA-IPN unidad Altamira, el Instituto Mexicano del Petróleo, IIM-UNAM y el Laboratorio de Química de Coordinación del CNRS, Université Toulouse III, Francia.

En este proyecto actualmente se desarrollan tres tesis de alumnos del Programa de Posgrado de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Química y una tesis del Doctorado en Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Iberoamericana.