Caracterización de materiales y celdas de combustible
por Yassir Zárate Méndez
Desde que inició su doctorado, el Dr. Rodrigo Alonso Esparza Muñoz ha centrado su interés en el desarrollo de nanomateriales. En su hoja de trabajo se destacan investigaciones en materiales como oro, platino y paladio, además de combinaciones entre estos y elementos como la plata.
Búsqueda de materiales
Esparza Muñoz es integrante del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA) de la UNAM, donde mantiene un estrecho vínculo con el Laboratorio Nacional de Caracterización de Materiales.
Desde hace varios años se ha dedicado al desarrollo de nanomateriales, principalmente nanopartículas monometálicas y bimetálicas, es decir, que combinan dos elementos. La intención es utilizarlas como electrocatalizadores en celdas de combustible, que son dispositivos para la generación de energía eléctrica a partir de hidrógeno, metanol o etanol.
“Estamos enfocados en la parte del electrocatalizador que nos ayude a incrementar la velocidad de las reacciones químicas que se efectúan en una celda de combustible, es decir, de reducción y de oxidación. Los catalizadores pueden ser de un solo elemento o combinaciones de dos o varios de estos”, explica el investigador.
Desde que empezó su doctorado se ha mantenido en esta línea. Así, Esparza Muñoz ha trabajado con materiales como oro, platino y paladio, incluyendo combinaciones de estos elementos (oro-paladio, oro-platino o plata-paladio).
Caracterización de nanomateriales
Agrega que él y su equipo han insistido en el ensayo de algunas combinaciones. Asimismo, resalta que el grupo de investigación al que pertenece se ha enfocado en la caracterización. En otras palabras, buscan conocer las propiedades físicas de las partículas, desde el tamaño, cómo están acomodados los átomos, qué configuración tienen y su geometría, entre otros aspectos.
“Todo eso nos va a dar las propiedades del catalizador. Posteriormente hay que conocer su respuesta electroquímica, por lo que para realizar la prueba hay que colocarlo sobre un sustrato poroso, que para este caso utilizamos carbón Vulcan. Finalmente, este y las nanopartículas constituyen el electrodo de trabajo en una celda electroquímica, y así se conoce más sobre las propiedades de reducción y oxidación de las nanopartículas”, abunda.
El proceso de caracterización resulta particularmente laborioso. En primer lugar se debe preparar las nanopartículas. Para eso hacen una pequeña síntesis química utilizando sales metálicas.
“Tenemos una sal de algunos de los elementos metálicos de interés, como sal de oro o de platino. Hacemos una reacción de reducción de los iones metálicos provenientes de la sal a átomos metálicos, utilizando un reductor y/o un estabilizante. Está la agregación controlada de estos átomos, con lo que formamos un núcleo, que empieza a crecer y dependiendo de la concentración de la sal metálica, del reductor y/o del estabilizante que adicionamos, así como del tiempo de reacción, es el tamaño promedio de nanopartícula que obtenemos. De este modo obtenemos nanopartículas homogéneas del orden de entre 10 a 15 nanómetros. Posteriormente son lavadas para quitarles algunos residuos y pasamos a la parte de caracterización, y aquí es donde entra lo importante del Laboratorio Nacional y de los equipos con los que cuenta”, detalla.
Uso de laboratorios
El Laboratorio Nacional de Caracterización de Materiales es el resultado del uso conjunto de la infraestructura ubicada en el CFATA. Es ahí donde se efectúan las pruebas descritas por el Dr. Esparza, para identificar la composición y estructura de las nanopartículas que desarrolla con otros investigadores.
En primer lugar, acuden al laboratorio de difracción de rayos X, donde ya es posible caracterizar a las nanopartículas. Con los equipos nuevos con que cuentan, preparan una película delgada de las nanopartículas sobre un portamuestras, que puede ser vidrio; lo colocan en el difractómetro y así obtienen la estructura cristalina, es decir, cómo se ordenan y empaquetan los átomos.
Además, destaca que con este procedimiento “hace tiempo no se podía obtener la estructura critalina de las nanopartículas, porque utilizábamos difractómetros que aplican haces divergentes; sin embargo, ahora, con el uso de haces paralelos, ya lo podemos hacer en el difractómetro con el que cuenta el laboratorio de difracción”, explica.
Posteriormente, extraen un poco de líquido (gotas) de las nanopartículas dispersas, lo colocan en un portamuestras y lo llevan al microscopio electrónico de barrido. Este es el primer microscopio que se aplica para visualizar la morfología del material.
Los materiales obtenidos siguen “en tamaño nanométrico y dispersos, ya que ninguna de las técnicas de limpieza los ha aglomerado. Con el equipo que cuenta el Laboratorio de Microscopía podemos ver detalles de nanopartículas de hasta 5 nanómetros o menos”. Es así que aprecian la distribución del tamaño de la partícula y algo de la composición química de la nanopartícula.
Posteriormente, dependiendo del enfoque que se le quiera dar a las partículas, se puede utilizar el microscopio confocal también instalado en el laboratorio de microscopía. “Si queremos utilizar las partículas en el área de biología, podemos ver y analizar cómo interactúan con algunas bacterias o virus”.
Además, cuentan con la colaboración de algunos investigadores del Cinvestav Zacatenco. “Es la parte donde utilizamos un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución con aberración corregida. ¿Qué significa esto? El poder conocer la estructura cristalográfica de las nanopartículas en una escala atómica, donde podemos observar columnas atómicas dentro de la partícula y donde además se puede analizar dónde está ubicado cada uno de los átomos o de los elementos que la conforman. Esta técnica no la tenemos, inclusive en el Bajío no hay un equipo con estas características. Hay que ir hasta el Cinvestav Zacatenco, aunque ahora tenemos entendido que hay un microscopio electrónico de transmisión con aberración corregida en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM”, sostiene.
Una vez que se obtienen todas esas imágenes, se procesan y elaboran modelos, con lo que se puede predecir el comportamiento, dependiendo de cómo están distribuidos los átomos dentro de la partícula. No es lo mismo que los átomos se agrupen en anillos (núcleo-coraza) a que estén colocados aleatoriamente. Aunque son los mismos elementos, la manera en que están configurados les otorga propiedades diferentes, con lo que podrían modificarse sus aplicaciones.
Celdas de combustible
Como se anunció al inicio de este artículo, la intención de diseñar y caracterizar nanopartículas es para elaborar celdas de combustible. La idea es mejorar la eficiencia de estos dispositivos, que están llamados a jugar un papel fundamental en los servicios de transporte, particularmente en automóviles y en dispositivos portátiles.
Los retos que plantea el calentamiento global propiciado por el cambio climático, vinculado con el uso intensivo de combustibles de origen fósil, implican una búsqueda de soluciones. En esa clave se encuentra el diseño de celdas de combustibles, cuyo origen se remonta al siglo XIX.
La celda de combustible es un generador electroquímico que produce energía eléctrica a partir de la reacción química entre un combustible y oxígeno (aire). Funciona con tres elementos fundamentales: dos electrodos y un electrolito. El electrodo puede ser un nanotubo de metal, mientras que el electrolito es una sustancia que actúa como conductor eléctrico en medio del electrodo, explica en un documento en línea la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía.
“El oxígeno proveniente del aire pasa por el cátodo (electrodo positivo) y el combustible por el ánodo (electrodo negativo). Cuando el combustible es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el protón y el electrón toman distintos caminos migrando hacia el cátodo. El protón lo hará a través del electrolito mientras que el electrón lo hará por un conductor externo, siendo aquí donde se produce y conduce la energía eléctrica. Al final del recorrido, ambos se reúnen en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno. La celda de combustible produce corriente eléctrica y calor útil, y en algunos casos agua cien por cien pura”.
Sin embargo, como advierte el Dr. Rodrigo Alonso Esparza Muñoz, la eficiencia de estos dispositivos sigue siendo limitada. Uno de los primeros pasos para su mejoramiento es la obtención de mejores catalizadores, tarea en la que se encuentra el investigador del CFATA.
El primer catalizador que se utilizó en las celdas de combustible fue el platino, que ofrece un buen rendimiento. Sin embargo, tiene dos problemas, apunta el experto universitario.
En primer término, el material “es un poco caro”; en segundo lugar presenta un problema, denominado envenenamiento. “Esto significa que se reducen sus propiedades catalíticas. Al darse una saturación de residuos, se impide la acción del platino. Llega el momento en que el elemento está rodeado de monóxido de carbono y ya no tiene actividad catalítica”.
Para contrarrestar este efecto, se busca combinar el platino con otros elementos, y lo que se está tratando de hacer ahora es eliminar el platino y proponer otros sistemas. Por eso es muy importante la combinación de dos elementos, como plantean los investigadores del CFATA.
[quote]“Estamos proponiendo uno. Todavía no lo colocamos en la celda de combustible; llegamos solamente a la caracterización del catalizador en algunas pruebas estructurales y electroquímicas, y el que nos ha funcionado muy bien hasta ahora es el sistema oro-platino; sin embargo, también es un poco caro por los elementos que lo componen. Pero lo que obtuvimos es que utilizando solamente la mitad de masa del catalizador propuesto, estamos logrando mayor eficiencia que el platino puro”, externa.[/quote]
En síntesis, la idea es eficientar el servicio que dan las celdas de combustible, como parte de las aportaciones para dar respuesta a un problema de escala global.
