El consumo mundial de energía se acelera a un ritmo alarmante. Hay tres causas principales: la rápida expansión económica, el crecimiento de la población y la creciente dependencia de los aparatos que funcionan con energía en todo el mundo.
El aumento de nuestra demanda de energía y el impacto ambiental de los combustibles tradicionales plantean graves desafíos para la salud humana, la seguridad energética y la protección del medioambiente. Se estima que el mundo necesitará duplicar su suministro de energía para 2050, y es fundamental que desarrollemos nuevos tipos de energía para afrontar este desafío.
Las pilas de combustible suelen utilizar electrodos de platino, un material caro, pero una alternativa no metálica podría ser una solución asequible para la seguridad energética. Las pilas de combustible generan electricidad al oxidar el combustible y convertirlo en agua, lo que proporciona energía limpia y sostenible.
El hidrógeno puede utilizarse como combustible. Primero, se divide en sus electrones y protones constituyentes. Después, el flujo de electrones genera energía eléctrica, antes de que los electrones y protones se unan al oxígeno reducido y formen agua como único subproducto.
Esta tecnología tiene una alta eficiencia de conversión energética, prácticamente no genera contaminación y ofrece potencial para su uso a gran escala. Sin embargo, la reacción esencial que genera oxígeno reducido en las pilas de combustible requiere un catalizador: tradicionalmente, un electrodo de platino. Por desgracia, el alto coste y los recursos limitados han convertido a este catalizador de metal precioso en el principal obstáculo para que las pilas de combustible lleguen al mercado masivo.
Desde que se desarrollaron pilas de combustible con platino para la misión lunar Apolo en la década de 1960, los investigadores han desarrollado catalizadores hechos de aleaciones que contienen platino junto con metales más baratos. Estas aleaciones tienen un menor contenido de platino, pero su producción comercial en masa aún requiere grandes cantidades de este metal. Para que las pilas de combustible sean una opción energética viable a gran escala, necesitamos otros electrodos eficientes, de bajo coste y estables.
Nosotros descubrimos anteriormente una nueva clase de catalizadores sin metales y de bajo coste, basados en nanotubos de carbono con nitrógeno añadido, que tuvieron un mejor rendimiento que el platino en pilas de combustible básicas. La mejora del rendimiento catalítico puede atribuirse a la capacidad de los átomos de nitrógeno para aceptar electrones, lo que favorece la reacción de reducción del oxígeno. Estos catalizadores sin metales y basados en carbono podrían reducir drásticamente el coste de comercializar la tecnología de pilas de combustible. Por desgracia, a menudo resultan menos eficaces en condiciones ácidas, las condiciones típicas de las pilas de combustible de uso generalizado.
Al utilizar compuestos de carbono con una estructura porosa para aumentar la superficie y nanotubos para mejorar la conductividad, nuestra investigación más reciente demuestra que nuestros nanomateriales pueden catalizar la reducción del oxígeno con la misma eficacia que los catalizadores sin metales preciosos más avanzados, y con mayor estabilidad. Este primer intento exitoso de utilizar catalizadores sin metales y basados en carbono en pilas de combustible ácidas podría facilitar la comercialización de pilas de combustible asequibles y duraderas.
Además de en las pilas de combustible, estos nuevos catalizadores de nanomateriales de carbono sin metales también son electrodos eficaces para células solares de bajo coste, supercondensadores para el almacenamiento de energía y sistemas de división del agua que generan combustible a partir del agua. Por tanto, el uso generalizado de catalizadores sin metales y basados en carbono permitirá ahorrar combustible, reducir las emisiones nocivas y disminuir la dependencia de las fuentes de petróleo. Esto podría tener un efecto drástico en la vida en un futuro próximo.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. Lea el artículo original.
La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Liming Dai es director del Center of Advanced Science and Engineering for Carbon (Case4Carbon) de Case Western Reserve University.
Imagen: Se ve una turbina eólica cerca de la localidad de Piansano, a 90 km (60 millas) al norte de Roma. REUTERS/Max Rossi
