Cómo hacer inmortales a los biocatalizadores
El oxígeno amenaza a los catalizadores sostenibles que utilizan hidrógeno para producir electricidad en las pilas de combustible. Investigadores de Bochum y Marsella han desarrollado una forma de combatirlo.
Han desarrollado biocatalizadores inmortal Nicolas Plumeré, Darren Buesen y Li Huaiguang (de izquierda a derecha).
© RUB, Marquard
Los catalizadores eficientes para convertir el hidrógeno en electricidad en las pilas de combustible para la transición energética se basan a menudo en metales raros y caros como el platino. El uso de metales más baratos y componentes biológicos que funcionan con la misma eficacia ha acortado hasta ahora la vida útil de los catalizadores, ya que son sensibles al oxígeno. Un equipo de investigación de Bochum y Marsella ha logrado integrar este catalizador en una película protectora extremadamente delgada de bloques de construcción moleculares que lo protege del oxígeno y, por lo tanto, hace que su vida útil sea prácticamente infinita, al tiempo que mantiene su capacidad de trabajar de forma eficiente.
Los investigadores dirigidos por el profesor Nicolas Plumeré del Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence at Ruhr-Universität Bochum (RUB) trabajaron en este estudio junto con el Dr. Vincent Fourmond y el Dr. Christophe Léger del Centre national de la recherche scientifique Marseille.
Las capas gruesas no son buenas en la práctica
Los equipos han estado trabajando durante algún tiempo para hacer que los biocatalizadores eficientes que contienen hidrogenases sensibles al oxígeno duren más tiempo. "Hace unos cinco años desarrollamos un mecanismo de autodefensa basado en una película de polímero conductor", explica Nicolas Plumeré. Los electrones producidos durante la oxidación del hidrógeno son transportados a través de la película y reaccionan con el oxígeno, el cual es removido antes de que pueda llegar al interior del catalizador, donde se encuentran las enzimas sensibles al oxígeno. "Sin embargo, no fue posible utilizar los catalizadores en la práctica", dice el investigador. "Con más de 100 micrómetros, las películas de polímero eran tan gruesas que dificultaban la eficiencia."
En el trabajo actual, los investigadores muestran que, incluso en una película polimérica mucho más delgada, las hidrogenasas están a salvo del oxígeno. "Sorprendentemente, estas películas, que sólo tienen unos pocos micrómetros de espesor, son aún más robustas que las más gruesas", dice Nicolas Plumeré. El 50 por ciento del catalizador contribuye ahora a la catálisis - la cifra era sólo del 0,3 por ciento para las películas protectoras más gruesas.
Capa protectora definida hecha de esferas moleculares diminutas
Los bloques de construcción que componen la película protectora están en el centro del nuevo desarrollo. Para ello, los investigadores utilizan esferas diminutas con un diámetro de tan sólo cinco nanómetros, todas ellas de idéntica estructura, conocidas como dendrímeros. Esto les permitió controlar con precisión el grosor de la capa resultante.
Los dendrímeros pueden transportar electrones de manera más eficiente que los polímeros utilizados anteriormente. "Este aumento de la conductividad significa que los electrones se mueven más rápidamente a través de la película y son capaces de detener el oxígeno a una distancia mayor del catalizador", explica Plumeré.
22.000 años de catálisis eficiente
Los investigadores se sorprendieron al observar que el grosor de la película protectora tiene un efecto significativo en la vida útil del catalizador: en una película de tres micrómetros de espesor, un catalizador sobrevive en presencia de oxígeno durante sólo unos diez minutos. Si la película tiene un grosor de seis micrómetros, la vida útil puede extenderse hasta un año en las mismas condiciones. "Otros dos micrómetros de espesor prolongan teóricamente la vida útil del catalizador hasta los 22.000 años", afirman los investigadores, sorprendidos.
La ayuda de los vecinos prolonga la vida
El equipo se sorprendió igualmente de que la película protectora no sólo mantenga alejadas las moléculas de oxígeno dañinas, sino que también sea capaz de reactivar un catalizador que ya no es funcional al suministrarle electrones de un catalizador activo vecino. "En otras palabras: Los catalizadores de esta película protectora no sólo se protegen a sí mismos, sino también a los demás", resume Plumeré. Esta propiedad también permite que los catalizadores tengan una vida infinita en capas protectoras de sólo tres micrómetros de espesor.
"Esta longevidad extrema nos acerca un paso más al uso de estos biocatalizadores sensibles al oxígeno en las pilas de combustible", dice el equipo de investigación.
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