Científicos identifican una nueva clase de catalizadores para las pilas de combustible de hidrógeno

En una nueva investigación interdisciplinaria publicada en ACS Catalysis, los científicos de Northeastern han identificado una nueva clase de catalizadores que, por su particular naturaleza de no metales nobles, podrían sustituir al estándar basado en el platino que ha impedido el avance del hidrógeno en el sector de los combustibles.

«Estamos pasando rápidamente a los medios de transporte eléctricos y, tal como yo lo veo, las pilas son sólo una fase de transición», afirma Sanjeev Mukerjee, distinguido profesor de química y biología química de Northeastern, que es coautor del estudio. «No es la respuesta definitiva para sustituir los combustibles fósiles».

Es en el hidrógeno, o en los «portadores de hidrógeno« -moléculas más grandes en las que el hidrógeno es sólo una parte- donde está la respuesta, dice. El hidrógeno, el elemento más abundante del universo, actúa como portador de energía y puede separarse del agua, los combustibles fósiles o la biomasa y aprovecharse como combustible. Las pilas de combustible de hidrógeno convierten el hidrógeno en electricidad; y a diferencia del motor de combustión interna, que produce subproductos químicos tóxicos y cancerígenos, las pilas de combustible de hidrógeno sólo producen agua -agua potable- como resultado de la reacción química.

«El mayor cuello de botella ahora mismo es, uno: la infraestructura para el combustible, es decir, el hidrógeno o un portador de hidrógeno; y el número dos es el alto coste de los catalizadores, porque el estado actual de la técnica requiere metales nobles», dice Mukerjee. «Así que hay un doble esfuerzo tanto para reducir la carga de metales nobles como para encontrar catalizadores más sostenibles que utilicen elementos muy abundantes en la Tierra».

Los catalizadores se utilizan en las pilas de combustible de hidrógeno para acelerar el proceso de conversión de energía, llamado reacción de reducción de oxígeno.

Un catalizador sostenible es aquel que está hecho de «materiales muy abundantes en la Tierra» y que, cuando se introduce el oxígeno en la reacción química, no produce carbono, dice Arun Bansil, distinguido profesor universitario de física en Northeastern y coautor del estudio.

Según relata, los investigadores del Northeastern han estado estudiando una clase específica de catalizadores, los llamados «catalizadores de hierro coordinados con nitrógeno», como candidatos potencialmente sostenibles. Un catalizador de hierro coordinado con nitrógeno se define molecularmente como un átomo de hierro rodeado por cuatro átomos de nitrógeno. Los átomos de nitrógeno se denominan «ligandos» o moléculas que se unen a un átomo de metal central para formar un complejo mayor.

«Se trata de una estructura bien conocida», afirma Bansil. «Lo que hemos demostrado de forma muy concluyente en este trabajo es que añadiendo un quinto ligando -es decir, cuatro nitrógenos más otro- se puede conseguir un electrocatalizador mucho más estable y robusto, abriendo así un nuevo paradigma o vía para el diseño racional de esta clase de catalizadores para aplicaciones en pilas de combustible».

Bansil afirma que el quinto ligando también mejora la durabilidad del catalizador. La razón, dice, es que «parece que este quinto ligando consigue mantener el hierro en el plano del hierro-nitrógeno cuando se añade oxígeno a esta estructura».

Si el quinto ligando no está ahí, dice Bansil, el hierro se desplaza del plano del hierro-nitrógeno en muchos de estos complejos cuando se introduce el oxígeno, lo que hace que el catalizador sea «menos duradero».

Los investigadores utilizaron la espectroscopia de emisión de rayos X y la espectroscopia Mössbauer, técnicas utilizadas en química computacional, para observar estos efectos.

«No basta con saber que algo parece funcionar mejor: es importante saber por qué funciona mejor», dice. «Porque entonces estamos en condiciones de desarrollar materiales mejorados mediante un proceso de diseño racional».

En la investigación han participado el científico del personal de Northeastern Qingying Jia y Bernardo Barbiellini, físico computacional y teórico de la Universidad Tecnológica de Lappeenranta, que está de visita en Northeastern.

El avance representa varias «primicias» en este campo, afirma Mukerjee.

«El enfoque computacional nos ha ayudado a identificar los sitios catalíticos a medida que evolucionan durante la preparación, y también ha ayudado a proporcionar una imagen de cuáles de estos [catalizadores] son más estables», dice.