21.07.2022 - Tokyo University of Science

Nuevo complejo portador de protones como eficaz conductor de protones a altas temperaturas

Los investigadores desarrollan un complejo de rutenio (III) altamente simétrico con seis grupos imidazolato para la conducción eficiente de protones a alta temperatura en pilas de combustible

A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más respetuosas con el medio ambiente y sostenibles, las pilas de combustible están recibiendo mucha atención. La principal ventaja de las pilas de combustible es que utilizan hidrógeno, un combustible limpio, y sólo producen agua como subproducto mientras generan electricidad. Esta nueva y limpia fuente de electricidad podría sustituir a las baterías convencionales de iones de litio, que actualmente alimentan todos los dispositivos electrónicos modernos.

La mayoría de las pilas de combustible utilizan una membrana de Nafion -una membrana iónica basada en un polímero sintético- que sirve como electrolito sólido conductor de protones a base de agua. Sin embargo, el uso de agua como medio de conducción de protones crea un importante inconveniente para la pila de combustible, a saber, la incapacidad de funcionar correctamente a temperaturas superiores a 100 ֯ C, la temperatura a la que el agua empieza a hervir, lo que provoca un descenso de la conductividad de los protones. Por tanto, se necesitan nuevos conductores de protones que puedan transferirlos de forma eficiente incluso a temperaturas tan elevadas.

En un reciente avance, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor Makoto Tadokoro de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), presentó un nuevo complejo metálico de imidazol e imidazolato basado en un conductor de protones de alta temperatura que muestra una eficiente conductividad de protones incluso a 147°C (Fig. 1). El equipo de investigación estaba formado por el Dr. Fumiya Kobayashi de la TUS, el Dr. Tomoyuki Akutagawa y el Dr. Norihisa Hoshino de la Universidad de Tohoku, el Dr. Hajime Kamebuchi de la Universidad de Nihon, el Dr. Motohiro Mizuno de la Universidad de Kanazawa y el Dr. Jun Miyazaki de la Universidad de Tokio Denki. "El imidazol, un compuesto orgánico que contiene nitrógeno, ha ganado popularidad como conductor alternativo de protones por su capacidad de funcionar incluso sin agua. Sin embargo, tiene una tasa de transferencia de protones inferior a la del Nafion utilizado convencionalmente y se funde a 120 °C. Para superar estos problemas, introdujimos en seis moléculas de imidazol en un ion de rutenio (III) para diseñar un nuevo complejometálico que funciona como portador de múltiples protones y tiene estabilidad a altas temperaturas", explica El profesor Tadokoro cuando se le pregunta por los motivos de su estudio.

El equipo diseñó una nueva molécula en la que tres grupos imidazol (HIm) y tres imidazolatos (Im-) se unieron a un ion central de rutenio (III) (Ru3+). El cristal molecular resultante era altamente simétrico y se asemejaba a una forma de "explosión de estrellas". Al investigar la conductividad de protones de este complejo metálico de tipo estrella, el equipo descubrió que cada uno de los seis grupos imidazol unidos al ion Ru3+ actúa como transmisor de protones. Esto hizo que la molécula fuera 6 veces más potente que las moléculas individuales de HIm, que sólo podían transportar un protón a la vez.

El equipo también exploró el mecanismo que subyace a la capacidad de conducción de protones a alta temperatura de las moléculas en forma de estrella. Descubrieron que a una temperatura superior a -70°C, la conductividad de protones era el resultado de rotaciones individuales localizadas de los grupos HIm e Im- y del salto de protones a otros complejos de Ru(III) en el cristal a través de enlaces de hidrógeno. Sin embargo, a temperaturas superiores a 147°C, la conductividad de los protones surgía de la rotación de toda la molécula, que también era responsable de la conductividad superior de los protones a altas temperaturas. Esta rotación, confirmada por el equipo mediante una técnica denominada "espectroscopia 2H-NMRen estado sólido", dio lugar a una tasa de conductividad tres órdenes de magnitud mayor = 3,08 × 10-5 S/cm) que la de las moléculas individuales de HIm = 10-8 S/cm).

El equipo cree que su estudio podría actuar como un nuevo principio impulsor de los electrolitos de estado sólido conductores de protones. Los resultados de su novedoso diseño molecular podrían utilizarse para desarrollar nuevos conductores de protones de alta temperatura y mejorar la funcionalidad de los ya existentes. "Las pilas de combustible son la clave para un futuro más limpio y ecológico. Nuestro estudio ofrece una hoja de ruta para mejorar el rendimiento de estos recursos energéticos neutros en carbono a altas temperaturas mediante el diseño y la implementación de conductores moleculares de protones que puedan transferir protones de forma eficiente a dichas temperaturas", concluye el profesor Tadokoro.

Esperemos que no estemos demasiado lejos de hacer realidad un futuro basado en las pilas de combustible y la energía limpia".

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