20.04.2022 - Clemson University

El extracto de una especia común de cocina podría ser la clave para conseguir pilas de combustible más ecológicas y eficientes

El descubrimiento acerca la sustitución del hidrógeno como materia prima para las pilas de combustible

La cúrcuma, una especia que se encuentra en la mayoría de las cocinas, tiene un extracto que podría dar lugar a pilas de combustible más seguras y eficientes.

Investigadores del Instituto de Nanomateriales de Clemson (CNI) y sus colaboradores del Instituto de Enseñanza Superior Sri Sathya Sai (SSSIHL) de la India descubrieron una novedosa forma de combinar la curcumina -la sustancia que contiene la cúrcuma- y las nanopartículas de oro para crear un electrodo que requiere 100 veces menos energía para convertir eficazmente el etanol en electricidad.

Aunque el equipo de investigación debe realizar más pruebas, el descubrimiento acerca la sustitución del hidrógeno como materia prima para las pilas de combustible.

"De todos los catalizadores para la oxidación del alcohol en medio alcalino, el que hemos preparado es el mejor hasta la fecha", afirma Apparao Rao, director fundador del CNI y catedrático de Física R. A. Bowen de la Facultad de Ciencias.

Las pilas de combustible generan electricidad mediante una reacción química en lugar de la combustión. Se utilizan para alimentar vehículos, edificios, dispositivos electrónicos portátiles y sistemas de energía de reserva.

Las pilas de combustible de hidrógeno son muy eficaces y no producen gases de efecto invernadero. Aunque el hidrógeno es el elemento químico más común del universo, hay que extraerlo de sustancias como el gas natural y los combustibles fósiles porque en la Tierra sólo se encuentra de forma natural en forma de compuestos con otros elementos en líquidos, gases o sólidos. La extracción necesaria aumenta el coste y el impacto medioambiental de las pilas de combustible de hidrógeno.

Además, el hidrógeno utilizado en las pilas de combustible es un gas comprimido, lo que dificulta su almacenamiento y transporte. El etanol, un alcohol fabricado a partir de maíz u otros alimentos de origen agrícola, es más seguro y fácil de transportar que el hidrógeno porque es un líquido.

"Para convertirlo en un producto comercial en el que podamos llenar nuestros depósitos con etanol, los electrodos tienen que ser muy eficientes", explica Lakshman Ventrapragada, antiguo alumno de Rao que trabajó como asistente de investigación en el CNI y es ex alumno de SSSIHL. "Al mismo tiempo, no queremos electrodos muy caros ni sustratos poliméricos sintéticos que no sean ecológicos, porque eso desvirtúa todo el propósito. Queríamos buscar algo ecológico para el proceso de generación de la pila de combustible y la fabricación de la propia pila".

Los investigadores se centraron en el ánodo de la pila de combustible, donde se oxida el etanol u otra fuente de alimentación.

Las pilas de combustible utilizan ampliamente el platino como catalizador. Pero el platino se envenena con productos intermedios de la reacción, como el monóxido de carbono, explica Ventrapragada. Además, es costoso.

Los investigadores utilizaron oro como catalizador. En lugar de utilizar polímeros conductores, marcos metal-orgánicos u otros materiales complejos para depositar el oro en la superficie del electrodo, los investigadores utilizaron curcumina por su singularidad estructural. La curcumina se utiliza para decorar las nanopartículas de oro y estabilizarlas, formando una red porosa alrededor de las nanopartículas. Los investigadores depositaron la nanopartícula de oro con curcumina en la superficie del electrodo a una corriente eléctrica 100 veces menor que en estudios anteriores.

Sin el recubrimiento de curcumina, las nanopartículas de oro se aglomeran, lo que reduce la superficie expuesta a la reacción química, explicó Ventrapragada.

"Sin este recubrimiento de curcumina, el rendimiento es pobre", dijo Rao. "Necesitamos este recubrimiento para estabilizar y crear un entorno poroso alrededor de las nanopartículas, y entonces hacen un trabajo estupendo con la oxidación del alcohol".

"Hay un gran impulso en la industria para la oxidación del alcohol. Este descubrimiento es un excelente instrumento para ello. El siguiente paso es ampliar el proceso y trabajar con un colaborador industrial que pueda fabricar realmente las pilas de combustible y construir pilas de combustible para la aplicación real", continuó.

Pero la investigación podría tener implicaciones más amplias que la mejora de las pilas de combustible. Las propiedades exclusivas del electrodo podrían prestarse a futuras aplicaciones en sensores, supercondensadores y otros ámbitos, según Ventrapragada.

En colaboración con el equipo de investigación del SSSIHL, el equipo de Rao está probando el electrodo como sensor que podría ayudar a identificar cambios en el nivel de dopamina. La dopamina ha sido implicada en trastornos como la enfermedad de Parkinson y el trastorno por déficit de atención e hiperactividad. Cuando los miembros del equipo de investigación analizaron muestras de orina obtenidas de voluntarios sanos, pudieron medir la dopamina en el rango clínico aprobado con este electrodo utilizando un método económico en comparación con los estándares utilizados hoy en día, dijo Rao.

"En las fases iniciales del proyecto, no imaginábamos otras aplicaciones que pudiera admitir la curcumina recubierta de oro. Sin embargo, antes de finalizar los experimentos de oxidación con alcohol, estábamos bastante seguros de que otras aplicaciones son posibles", dijo Ventrapragada. "Aunque no tenemos una comprensión completa de lo que ocurre a nivel atómico, sabemos con seguridad que la curcumina estabiliza las nanopartículas de oro de forma que puede prestarse a otras aplicaciones".

La revista Nano Energy publicó los resultados en un artículo titulado "Green synthesis of a novel porous gold-curcumin nanocomposite for super-efficient alcohol oxidation". Ventrapragada diseñó el experimento durante su trabajo de tesis en el laboratorio del CNI de Rao. Tras la graduación de Ventraprada, el electrodo fue caracterizado y probado por el equipo de investigación SSSIHL de la India, que incluye a Sai Prasad Nayak, J.K. Kiran Kumar y Sai Sathish Ramamurthy.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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