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Nanomateriales para la transición energética: así es el desarrollo....

argentino con nuevos materiales.

Nanomateriales para la transición energética: así es el desarrollo.... published in Ciencia y educación

La transición hacia energías más limpias requiere impulsar nuevas tecnologías y nuevos materiales para desarrollarlas. En el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de San Carlos de Bariloche se investigan nanomateriales cerámicos para dispositivos que transforman energía en combustible y viceversa, con alta eficiencia y baja emisión de dióxido de carbono.

En los últimos 20 años la población mundial creció aproximadamente un 25%, y con ello el consumo energético. Este incremento de la demanda de energía también aumentó la emisión de dióxido de carbono (CO2), uno de los gases responsables del efecto invernadero. Surge así a nivel mundial la necesidad de realizar acciones concretas para mitigar el problema, impulsándose la idea de avanzar hacia una transición energética, con el objetivo de disminuir o eliminar la emisión de dióxido de carbono.

Algunos objetivos para lograr la descarbonización son aumentar el porcentaje de fuentes de energía renovables para la generación eléctrica, promover la electromovilidad en el transporte liviano y reemplazar combustibles tradicionales por combustibles sintéticos, sin carbono en el transporte pesado y en sectores industriales con altos niveles de emisión.

Para alcanzar estos objetivos se deberán desarrollar e integrar diferentes tecnologías. Por ejemplo, si bien las energías renovables son fuentes de generación eléctrica más limpias, la distribución desigual de estos recursos y su intermitencia requiere poder almacenarla y transportarla para utilizarla en momentos o lugares de alta demanda o incluso en el sector transporte.

De aquí surge la idea del hidrógeno (H2) como vector de energía, ya que es un combustible que libera energía sin emitir CO2 al medio ambiente. Sin embargo, el hidrógeno no se encuentra como tal en la naturaleza, por lo que es un combustible que debe producirse a partir de otros compuestos, como agua, hidrocarburos, alcoholes, etc. Entonces, para que esta tecnología sea una verdadera solución, es necesario que durante su producción la emisión de dióxido de carbono sea mínima. Así emergen viejos conceptos sobre conversión electroquímica de energía, es decir transformaciones químicas que involucran corriente eléctrica en los llamados electrolizadores y pilas de combustible. En un electrolizador, se entrega energía para transformar agua en hidrógeno y oxígeno. En cambio, en una pila de combustible se realiza el proceso inverso: se combina el hidrógeno con el oxígeno del aire para producir energía y formar agua. En este caso el hidrógeno se puede utilizar directamente o indirectamente de otros combustibles livianos que lo contengan (gas natural, etanol, amoniaco, etc.) Para realizar este proceso, el combustible es almacenado en un tanque independiente, que permita su uso en una pila cuando se demande la energía. En estos procesos las sustancias se transforman entre sí intercambian cargas eléctricas (iones y electrones).

Este intercambio se aprovecha directamente como energía eléctrica porque el hidrógeno y el oxígeno están separados por una membrana (Figura 1) que sólo permite intercambiar iones y fuerza una corriente eléctrica por un circuito externo, generando electricidad de forma segura, sin ruido, con mayor eficiencia en generadores tradicionales.

Las reacciones electroquímicas encargadas de generar energía ocurren de forma controlada sobre un material llamado electrodo, que actúa como mediador para los intercambios entre los gases, los electrones y los iones. Como este intercambio ocurre en la interfase sólido-gas, cuanto mayor sea la zona de contacto más eficiente será el sistema, y es aquí donde los nanomateriales juegan un rol fundamental. Un nanomaterial es un material cuyas dimensiones características son del orden de algunas decenas de nanómetros (un milímetro equivale a un millón de nanómetros), y en ellos las interfases solido-gas son mayores y algunos fenómenos, como la transferencia de cargas o el anclaje de las moléculas gaseosas a la superficie se ven favorecidos. Entonces, el rendimiento de las pilas de combustible y electrolizadores depende de lo que sucede a una escala más pequeña que la microscópica, en los materiales que componen las membranas y los electrodos.

Existen distintas variedades de electrolizadores/pilas de combustible según el tipo de membrana, diseño y temperatura de operación. En el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN) – Centro Atómico Bariloche, se estudian nanomateriales cerámicos para electrolizadores y pilas de combustible a alta temperatura. En este tipo de tecnología, los electrodos son óxidos mixtos (tienen dos o más metales) conocidos como perovskitas. Combinando adecuadamente las composiciones de las perovskitas se pueden encontrar materiales que funcionen bien como electrodos de aire y de combustible.

La ventaja de encontrar un mismo material para ambas funciones es que se pueden diseñar celdas simétricas, donde se simplifica la fabricación y la operación de los dispositivos, reduciendo notablemente los costos. El problema, es que un óxido que sea versátil y cumpla ambas funciones no siempre es el mejor material de electrodo. Una forma de resolver este problema es decorando la superficie con nanopartículas metálicas que actúan como centros catalíticos, aumentando notablemente la potencia eléctrica de las pilas o el rendimiento de producción de hidrógeno de los electrolizadores. Estas nanopartículas se producen cuando el óxido, adecuadamente dopado, se pone en contacto con el combustible.

Esto genera una estructura única, en la cual las nanopartículas quedan ancladas en el óxido, dando lugar a una mayor interacción entre el soporte y la nanopartícula que favorece las reacciones y hace los nanomateriales más robustos.

Los investigadores del INN apuntan no sólo a la producción de nuevos nanomateriales que aumenten la eficiencia de los dispositivos a escala de laboratorio, sino también a desarrollar métodos de procesamiento que puedan transferirse fácilmente a la industria. Además, trabajan en diseñar estrategias que permitan extender la vida útil de los dispositivos, de manera que esta tecnología sea más económica y por ende más accesible.

Fuente: Liliana V. Mogni (la autora es Doctora en Ciencias de la Ingeniería – Instituto Balseiro- UN Cuyo) para Los Andes