Prender las pilas de combustible con nanotecnología

La nanotecnología puede mejorar la eficiencia de las células de combustible de varias maneras. Las pilas de combustible requieren el movimiento de iones a través de membranas. Mediante el uso de nanoporos, puede limitar lo que obtiene a través de las membranas y un mejor control de la reacción que se produce.

Los investigadores han tapado los extremos de nanoporos para atrapar la solución ácida dentro de la membrana, mejorando así el transporte de iones de hidrógeno a través de la membrana en baja humedad. Esta capacidad se abre la posibilidad de hacer las células de combustible que operan en una amplia gama de condiciones de humedad.

Un catalizador, por lo general platino, hace que las reacciones de pila de combustible a temperaturas más bajas se producen más fácilmente. Una segunda manera que la nanotecnología puede mejorar la eficiencia de las células de combustible consiste en mejorar el catalizador. Los investigadores utilizan nanopartículas para aumentar el área superficial disponible para las reacciones, con lo que la reacción más eficiente - y menos costoso, porque se necesita menos platino.

Por último, nano puede producir tanques de almacenamiento de hidrógeno lo suficientemente pequeño y ligero para uso en automóviles. Los enlaces de hidrógeno fácilmente al carbono, por lo que los investigadores han investigado el almacenamiento de hidrógeno en grafeno. Debido a que el grafeno es sólo un átomo de espesor, que tiene el área de superficie de exposición más alto de carbono por peso de cualquier material. La alta energía de hidrógeno a carbono de unión y la exposición de carbono de elevada área superficial hacen grafeno un buen candidato para el almacenamiento de hidrógeno.

Varios grupos están explorando el uso de la nanotecnología para mejorar la eficiencia de las células de combustible.

• Los investigadores del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC han desarrollado una manera de utilizar el 80 por ciento menos de platino para el cátodo en pilas de combustible, lo que podría reducir significativamente su costo. Los investigadores aleados platino con cobre en nanopartículas y luego se retira el cobre de la superficie de las nanopartículas, haciendo que los átomos de platino para mover más cerca entre sí.

  El espaciamiento reducido entre los átomos (llamado espaciado reticular) Cambia la estructura electrónica de los átomos de platino de modo que los iones de oxígeno separados se liberan más fácilmente, haciendo que el catalizador más eficaz. Un catalizador más eficaz significa que se requiere menos catalizador.

• Otra forma de reducir el uso de platino en cátodos de pilas de combustible está siendo desarrollado por investigadores de la Universidad de Brown. Ellos depositan una gruesa capa de un nanómetro de platino y hierro en nanopartículas esféricas de paladio.

  En pruebas de laboratorio, encontraron que una pila de combustible usando un catalizador hecho con estas nanopartículas genera 12 veces más corriente que uno que contiene un catalizador usando platino puro. La pila de combustible también duró diez veces más largos. Los investigadores creen que esta mejora se debe a una transferencia más eficiente de electrones.

• El hidrógeno producido a partir de hidrocarburos, tales como petróleo o gas natural, contiene monóxido de carbono. Para utilizar este hidrógeno en pilas de combustible, monóxido de carbono debe ser eliminado, lo que aumenta el costo.

  Investigadores de la Universidad de Cornell han encontrado una forma de reducir la cantidad de platino usado en la celda de combustible y para aumentar la tolerancia de la célula de combustible para algunos contaminantes en el combustible de hidrógeno, lo que disminuye el costo de producir el hidrógeno.

• Investigadores de la Universidad de Illinois han desarrollado una membrana de intercambio de protones utilizando una capa de silicio con poros que son alrededor de 5 nanómetros de diámetro y coronada por una capa de sílice porosa. La capa de sílice asegura que el agua permanece en los nanoporos. El agua se combina con las moléculas de ácido a lo largo de la pared de los nanoporos para formar una solución ácida, proporcionando una vía fácil para los iones de hidrógeno a través de la membrana.

  Esta membrana tenía mucho mejor conductividad de iones de hidrógeno (100 veces mejor) en condiciones de baja humedad que la membrana usada normalmente en pilas de combustible. Este enfoque podría resultar en la creación de células de combustible que operan en entornos con una amplia gama de humedad.