Nuevo método para diseñar pequeños materiales 3D podría hacer que las celdas de combustible sean más eficientes

Científicos de UNSW Sydney han demostrado una técnica novedosa para crear pequeños materiales 3D que eventualmente podrían hacer que las celdas de combustible, como las baterías de hidrógeno, sean más baratas y sostenibles.

En el estudio publicado en Avances de la cienciainvestigadores de la Facultad de Química de UNSW Science muestran que es posible «hacer crecer» secuencialmente estructuras jerárquicas interconectadas en 3D a nanoescala que tienen propiedades químicas y físicas únicas para apoyar las reacciones de conversión de energía.

En química, las estructuras jerárquicas son configuraciones de unidades como moléculas dentro de una organización de otras unidades que a su vez pueden estar ordenadas. Se pueden ver fenómenos similares en el mundo natural, como en los pétalos de las flores y las ramas de los árboles. Pero donde estas estructuras tienen un potencial extraordinario es en un nivel más allá de la visibilidad del ojo humano: en la nanoescala.

Utilizando métodos convencionales, a los científicos les ha resultado difícil replicar estas estructuras 3D con componentes metálicos a nanoescala. Para comprender cuán pequeños deben ser estos diminutos materiales 3D, en un centímetro hay 10 milímetros. Si tuviera que contar un millón de pequeños segmentos en solo uno de esos milímetros, cada uno de ellos sería de un nanómetro o nm.

«Hasta la fecha, los científicos han podido ensamblar estructuras de tipo jerárquico en la escala micrométrica o molecular», dice el profesor Richard Tilley, director de la Unidad de Microscopio Electrónico de la UNSW y autor principal del estudio. «Pero para obtener el nivel de precisión necesario para ensamblar a nanoescala, necesitábamos desarrollar una metodología ascendente completamente nueva».

Los investigadores utilizaron la síntesis química, un enfoque que construye compuestos químicos complejos a partir de compuestos más simples. Pudieron hacer crecer cuidadosamente ramas de níquel con estructura de cristal hexagonal en núcleos con estructura de cristal cúbico para crear estructuras jerárquicas en 3D con dimensiones de alrededor de 10 a 20 nanómetros.

La nanoestructura 3D interconectada resultante tiene un área de superficie alta, alta conductividad debido a la conexión directa de un núcleo metálico y ramas, y tiene superficies que pueden modificarse químicamente. Estas propiedades lo convierten en un soporte electrocatalizador ideal, una sustancia que ayuda a acelerar la velocidad de las reacciones, en la reacción de evolución del oxígeno, un proceso crucial en la conversión de energía. Las propiedades de la nanoestructura se examinaron mediante análisis electroquímicos de microscopios electrónicos de última generación proporcionados por la Unidad de Microscopios Electrónicos.

«Hacer crecer el material paso a paso es un contraste con lo que hacemos ensamblando estructuras a nivel de micrómetros, que es comenzar con material a granel y grabarlo», dice la autora principal del estudio, la Dra. Lucy Gloag, becaria postdoctoral en el Facultad de Química, Ciencias UNSW. «Este nuevo método nos permite tener un control excelente sobre las condiciones, lo que nos permite mantener todos los componentes en un tamaño ultrapequeño, en la nanoescala, donde existen las propiedades catalíticas únicas».

Nanocatalizadores en pilas de combustible

En los catalizadores convencionales, que suelen ser esféricos, la mayoría de los átomos están atrapados en el medio de la esfera. Hay muy pocos átomos en la superficie, lo que significa que la mayor parte del material se desperdicia ya que no puede participar en el entorno de reacción.

Estas nuevas nanoestructuras 3D están diseñadas para exponer más átomos al entorno de reacción, lo que puede facilitar una catálisis más eficiente y efectiva para la conversión de energía, dice el profesor Tilley.

«Si esto se usa en una celda de combustible o batería, tener un área de superficie más alta para el catalizador significa que la reacción será más eficiente al convertir hidrógeno en electricidad», dice el profesor Tilley.

El Dr. Gloag dice que significa que se necesita usar menos material para la reacción.

«Eventualmente también disminuirá los costos, haciendo que la producción de energía sea más sostenible y, en última instancia, alejando aún más nuestra dependencia de los combustibles fósiles».

En la próxima etapa de investigación, los científicos buscarán modificar la superficie del material con platino, que es un metal catalítico superior aunque más costoso. Alrededor de una sexta parte del costo de un automóvil eléctrico solo es el platino que alimenta la celda de combustible.

«Estas áreas de superficie excepcionalmente altas soportarían un material como el platino para colocarlo en capas en átomos individuales, por lo que tenemos el mejor uso absoluto de estos metales costosos en un entorno de reacción», dice el profesor Tilley.