Los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera han alcanzado niveles sin precedentes, lo que aumenta la necesidad de soluciones de energía limpia como alternativas a los combustibles fósiles. Un obstáculo al que se enfrentan los investigadores es que la tecnología actual de pilas de combustible se basa en el uso de costosos catalizadores metálicos, como el platino, para convertir el hidrógeno en energía; Sin embargo, un equipo de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias de la Universidad de Virginia ha identificado una molécula orgánica que podría ser una alternativa eficaz y menos costosa a los catalizadores metálicos tradicionales.

Las pilas de combustible que hacen posible los coches eléctricos y los generadores industriales y residenciales, y que se necesitan para almacenar la energía generada por el viento o el sol, utilizan metales como el platino para catalizar una reacción química que divide fuentes de combustible como el gas hidrógeno en protones y electrones que son luego enjaezado. Como la electricidad.

Hasta ahora, las alternativas orgánicas a los catalizadores de metales raros no se han considerado prácticas, porque el proceso de catálisis hace que se descompongan en componentes que ya no son útiles. En un artículo publicado en Revista de la Sociedad Química EstadounidenseSin embargo, los profesores asociados de química Charles Machan y Michael Hylinski, junto con Ph.D. Las estudiantes Emma Cook y Anna Davies han identificado una molécula orgánica compuesta de carbono, hidrógeno, nitrógeno y flúor que tiene el potencial de ser una alternativa práctica.

Potencial y estabilidad del nuevo catalizador.

La molécula no sólo puede iniciar la reducción de oxígeno, una reacción que ocurre dentro de una celda de combustible, dijo Machan; Puede continuar reaccionando con los productos de reacción y luego volver a su estado original.

“Estas moléculas son estables en condiciones en las que la mayoría de las moléculas se han descompuesto y continúan alcanzando una actividad que iguala el nivel de los catalizadores de metales de transición”, dijo Machan.

Charles Machan (izquierda) y Michael Hylinski (derecha) han identificado una molécula orgánica que podría sustituir el uso de metales raros y caros en las pilas de combustible. Crédito: Universidad de Virginia

Este descubrimiento representa un importante paso adelante en la búsqueda de pilas de combustible eficientes que utilicen materiales más sostenibles y sean menos costosas de producir y podría conducir al desarrollo de la próxima generación de pilas de combustible en los próximos cinco a diez años, pero los hallazgos del equipo son solo el comienzo.

“Es posible que esta misma molécula no se convierta en una pila de combustible”, dijo Machan. “Lo que dice este resultado es que puede haber catalizadores a base de carbono, y si se modifican aquellos que tienen ciertos grupos químicos, se puede esperar convertirlos en grandes catalizadores para la reacción de reducción de oxígeno. El objetivo final es incorporar propiedades que hagan posible la reacción. Esta molécula es estable”. Mucho material a granel, para sustituir el uso de platino.

Implicaciones más amplias e investigaciones futuras.

Hilinski, cuyo grupo de investigación se centra en la química orgánica, destacó la importancia del carácter interdisciplinario del equipo de investigación. “Esta molécula que usamos como catalizador tiene una historia en mi laboratorio, pero siempre hemos buscado su uso en reacciones químicas realizadas en moléculas mucho más grandes que contienen carbono, como los ingredientes activos de los medicamentos”, dijo Hilinski. “Sin la experiencia de Charlie Machan, no creo que hubiéramos hecho esta conexión con la química de las pilas de combustible”.

El descubrimiento también podría tener implicaciones para la producción industrial de peróxido de hidrógeno, un producto doméstico que también se utiliza en la producción de papel y en el tratamiento de aguas residuales.

“El proceso de producción de peróxido de hidrógeno es perjudicial para el medio ambiente y consume mucha energía”, afirmó Machan. “Se necesita reformar el metano con vapor a alta temperatura para liberar el hidrógeno utilizado para generarlo”.

Los hallazgos de su equipo también podrían mejorar el componente catalítico de este proceso, lo que podría tener impactos positivos tanto en la industria como en el medio ambiente, así como en la tecnología de tratamiento de agua.

Hilinski también señaló que el descubrimiento y la colaboración que generó podrían tener impactos que se extienden más allá del almacenamiento de energía. “En general, una de las cosas más interesantes de este estudio es que al electrificar el catalizador, cambiamos la forma en que reacciona. Esto es algo inesperado y también podría ser útil en la fabricación de medicamentos, algo que mi equipo de investigación está buscando explorar”.

Machan, cuyo grupo de investigación se centra en la electroquímica molecular, también atribuye el descubrimiento a la naturaleza interdisciplinaria del equipo de investigación.

“Sin la experiencia del grupo de Mike Hylinski en la fabricación de moléculas orgánicas estables que puedan sufrir el tipo de reacciones necesarias, este trabajo no habría sido posible. Esta molécula orgánica única nos ha permitido hacer algo que normalmente sólo los metales de transición pueden hacer”, Machan dicho.

Referencia: “Reducción homogénea de oxígeno sin metales mediante electrocatalizador a base de iminio” por Emma N. Cook y Anna E. Davis y Michael K. Hilinski, Charles W. Machan, 15 de marzo de 2024, Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
doi: 10.1021/jacs.3c14549