Usar catalizadores intrínsecamente frágiles para generar y utilizar combustibles químicos
La transición mundial a una energía sostenible requiere el desarrollo de catalizadores ampliables, robustos y muy activos. Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química sin experimentar ningún cambio químico permanente. Pensemos por ejemplo en la producción de hidrógeno, un combustible sin emisiones de carbono que puede utilizarse en vehículos o para la producción de calor. El electrolizador que produce hidrógeno a partir de agua y electricidad, y las pilas de combustible que convierten el hidrógeno de nuevo en electricidad, suelen usar metales preciosos como catalizador. Sin embargo, su limitada abundancia y los problemas de obtención sostenible han resultado ser un obstáculo importante para el uso generalizado del hidrógeno. Desafortunadamente, los catalizadores alternativos basados en metales más sostenibles no consiguen proporcionar la estabilidad que requieren estas aplicaciones. Por ello, se necesita un nuevo enfoque de la cuestión de los catalizadores, razón por la que se ha creado el proyecto financiado con fondos europeos REDOX SHIELDS (Protection of Redox Catalysts for Cathodic Processes in Redox Matrices). «La creencia popular es que la conversión de la energía química requiere un catalizador robusto», afirma el investigador principal, Nicolas Plumeré, catedrático en la Universidad Técnica de Múnich. «Este proyecto, que recibió financiación del Consejo Europeo de Investigación, pretende demostrar que lo contrario es posible, que también pueden aplicarse catalizadores intrínsecamente frágiles para generar y utilizar combustibles químicos». Para ello, Plumeré desarrolló una innovadora matriz polimérica conductora de electrones para proteger incluso los catalizadores más frágiles, como la hidrogenasa, un catalizador natural para la producción u oxidación del hidrógeno. El sistema innovador se utiliza para la electrolisis del agua, la reacción electroquímica en la que el agua (H2O) se transforma en H2 y O2. El desafío radica en que el O2 liberado puede dañar las hidrogenasas e inactivarlas rápidamente. «Nuestro sistema aborda este problema aprovechando el H2 liberado y usándolo para proteger el catalizador de los efectos desactivadores del O2», explica Plumeré. «Esta protección también es efectiva en las pilas de combustible usando H2 del combustible».
Varios avances importantes
Mediante el uso de esta nueva matriz, Plumeré logró varios avances importantes, como, por ejemplo, la demostración teórica de que las matrices de protección mínima ofrecen una protección casi infinita al catalizador, incluso cuando ese catalizador es la frágil hidrogenasa. «Esto abre la puerta a la posibilidad de poder proteger la hidrogenasa del oxígeno durante hasta 20 000 años, según las predicciones teóricas», destaca Plumeré. «Desde una perspectiva práctica, esto significa que es posible evitar por completo la degradación debida al oxígeno sin tener que sacrificar la carga del catalizador ni su rendimiento». A continuación, los investigadores mostraron cómo puede usarse la hidrogenasa en presencia de aire, como su uso en una pila de combustible, para convertir el hidrógeno en electricidad. «Este avance mostró que las hidrogenasas tienen el potencial de permanecer activas en el oxígeno durante más de una semana, mientras que en el pasado esta encima se desactivaba en solo unos minutos», añade Plumeré.
Una alternativa competitiva a los combustibles fósiles
Según Plumeré, los hallazgos del proyecto son directamente aplicables a dispositivos en el contexto de la biotecnología y la generación de energía solar. Como resultado, el proyecto ayuda a posicionar las energías renovables como una alternativa competitiva a los combustibles fósiles. «El proyecto REDOX SHIELDS mostró con éxito que la fragilidad de los catalizadores no impide su uso en aplicaciones», concluye Plumeré. «Por ello, estoy seguro de que nuestros descubrimientos tendrán un gran impacto en la forma en que la comunidad de la conversión de energía química diseña nuevos catalizadores moleculares y biológicos para la generación de combustibles químicos».
Palabras clave
REDOX SHIELDS, catalizadores, combustibles químicos, energías renovables, energía sostenible, hidrógeno, pilas de combustible, hidrogenasas
