Bueno, pues después de mucho tiempo (más del que me esperaba estar inactivo) os traigo un hilo de divulgación sobre #ciencia y #tecnologia. Hoy os voy a hablar de una tecnología muy prometedora para el desarrollo de pilas de combustible: los materiales Sol-gel. 
Lo primero que hay que saber es que hay dos tecnologías principales en el mundo de las pilas de combustible: las de membrana de intercambio protónico (PEMFC) y las de óxido sólido (SOFC), orientadas cada una a campos muy distintos.
Las PEMFC estarían orientadas al sector automovilístico, mientras que las SOFC son una tecnología prometedora para el sector de la generación eléctrica a gran escala. En este hilo nos vamos a centrar en cómo se aplica la tecnología sol-gel a las PEMFC.
Lo primero es explicar lo que es un material sol-gel o, mejor dicho, el proceso sol-gel para la obtención de materiales con unas características determinadas.
El proceso sol-gel es una aproximación bottom-up para la creación de materiales. En ella, se ensamblan las moléculas básicas que darán lugar al material final (como, por ejemplo, los tetraedros de SiO4).
Se llaman sol-gel por lo siguiente: el «sol» es una solución coloidal de nanopartículas en un líquido, y actúan como precursores para la reacción de «gelificación», mientras que el «gel» es un sistema bifásico: una red tridimiensional, sólida y porosa confina otra fase líquida.
Este gel húmedo ha de ser secado posteriormente. Depende de cómo se haga, podemos obtener dos productos diferentes: (A) los aerogeles, si el líquido es reemplazado por un gas y el gel mantiene su integridad estructural…
…y (B) los xerogeles, en los que simplemente se deja evaporar el líquido. Debido a la gran contracción que sufre el material cuando el líquido desaparece, normalmente la estructura colapsa y lo que se obtiene es un material en forma de polvo.
Sin entrar en muchos detalles, el proceso sol-gel más común es el consistente en una hidrólisis más una policondensación. La hidrólisis es la que posibilita la policondensación o unión de los grupos estructurales (es decir, creación de enlaces Si-O-Si).
Como precursores se suelen usar soluciones acuosas de silicatos y alcoholatos de silicio, siendo los dos principales el TMOS (tetrametoxisilano) y el TEOS (tetraetoxisilano).
En el primer caso (solución acuosa) la hidrólisis se inicia provocando cambios en el pH, mientras que si usamos alcoholatos basta con añadir agua.
Si se quiere controlar al detalle la estructura final, es mejor usar alcoholatos, ya que en su gelificación intervienen muchas más variables: tipos de precursor, tipos de catalizador, pH, temperatura, solventes, ratio grupos alcoxi vs agua…
He puesto el caso del silicio porque es el material base más extendido, pero el proceso sol-gel también se puede usar en metales.
El procedimiento es el mismo, pero en este caso se añade un grado más de complejidad ya que, si bien en el caso de los alcoholatos de silicio trabajamos siempre con monómeros, en el caso de los metales puede haber cierto grado de oligomerización.
Por otra parte, mientras que el índice de coordinación preferido del Si es 4 (se rodea de 4 átomos de oxígeno, SiO4), para los metales suele ser mayor (por ejemplo, para el Titanio es 6, TiO6) dando lugar a estructuras algo diferentes.
Pues bien, ahora que ya tenéis una idea de lo que es la tecnología sol-gel, os voy a hablar de su aplicación a las PEMFC para vehículos eléctricos.
El principio básico de funcionamiento de las pilas de combustible (FC) es la oxidación continua de una sustancia (combustible) por medio de un oxidante (normalmente oxígeno). Y sí, digo continua, porque la pila está siempre alimentada de reactivos desde el exterior.
Esto hace que las FC presenten una gran ventaja con respecto a las baterías: superan la limitada capacidad de almacenamiento de éstas. Os hago un resumen rápido de los fundamentos del funcionamiento de una batería, ya que el de la FC es similar:
Cuando se ponen en contacto dos compuestos que reaccionan espontáneamente, estos (reactivos) reaccionan para formar otro compuesto (producto). Por ejemplo: A + B se juntan para dar AB.
Durante la reacción se produce una reconfiguración electrónica: un átomo se ioniza y cede o comparte uno o más electrones con el otro. Ahora bien, ¿qué pasaría si pusiésemos entre medias de los compuestos A y B un filtro que sí dejase pasar iones pero no electrones?
Pues que, evidentemente, la reacción no puede tener lugar, porque los electrones no pueden pasar para que se produzca la reconfiguración electrónica, a no ser que se les proporcione un camino alternativo.
Por ese camino externo circulará, entonces, corriente eléctrica (electrones). Ahí es donde se ha de colocar la carga, es decir, donde se obtiene el efecto útil de la batería.
Ahora que hemos repasado esto, volvamos a las PEMFC. En ellas, a la barrera que se usa para evitar el paso de electrones se le suele llamar membrana.
En una PEMFC tenemos un ánodo donde el combustible, normalmente hidrógeno, se oxida (es decir, pierde electrones). El ión resultante (en este caso, directamente un protón, dado que estamos hablando del catión H+) atraviesa el electrolito hasta el cátodo.
El electrón que ha perdido, en cambio, recorre el camino alternativo que se le ofrece (generando, así, la corriente eléctrica útil) hasta el cátodo, donde el comburente (oxígeno) se reduce, completando la combustión y produciendo agua.
También se expulsa nitrógeno porque, en realidad, para la alimentación de oxígeno se usa directamente aire, cuya composición es 78% nitrógeno, 21% oxígeno y 1% otros gases. El nitrógeno (gas inerte) sale tal cual entra, y el oxígeno se emplea en producir agua.
Bien, pues ahora vamos a centrarnos en la membrana, que tradicionalmente se ha hecho de un material llamado Nafion.
Este material se prepara por copolimerización (operación de síntesis consistente en crear una cadena macromolecular a partir de monómeros de naturalezas distintas) de un comonómero de éter vinílico perfluorado y tetrafluoroetileno (TFE). La estructura es la que véis en la imagen.
Este material presenta dos problemas. En primer lugar, la deshidratación de la membrana en las celdas de hidrógeno a altas temperaturas (por encima de 90 ºC), ya que ésta pasa al flujo de gases en contacto con la membrana. Esto hace que pierdan su conductividad protónica.
En segundo lugar, su alta permeabilidad al metanol, lo que hace que en las celdas de metanol se reduzca notablemente la eficiencia y se envenene el catalizador.
Hay un parámetro para cuantificar este problema: la selectividad protónica, que se define como el cociente entre la conductividad protónica y la permeabilidad al metanol.
Es aquí donde entra en juego la tecnología sol-gel, que permitiría solucionar los dos problemas anteriormente mencionados a través de la modificación de las membranas Nafion.
El problema de la permeabilidad al metanol se puede solucionar teniendo en cuenta la estructura del Nafion, el cual tiene microporos que pueden ser «llenados» con estructuras sol-gel basadas en la reacción de sílice y TEOS.
Por otra parte, la modificación por sol-gel del Nafion mediante la adición de óxido de silicio, titanio, zirconio o zeolitas es el camino a seguir para solucionar el problema de la deshidratación.
La estrategia aquí es añadir especies inorgánicas hidrófilas a la membrana, que «secuestran» el agua, de tal forma que en los «caminos» de transporte protónico de la red no se pierda. Así, se puede mantener una buena conductividad a una Tª superior a la de ebullición del agua.
Por poner un ejemplo de esto: una propuesta conjunta de la Universidad de Yamanashi (Japón) y Stonehart Associates (EE.UU.) (J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 12, December 1996) fue la de incorporar al Nafion nanocristalitos de platino...
como catalizador de la recombinación de oxígeno e hidrógeno moleculares en agua, y óxidos de titanio y de silicio (higroscópicos) para retener el agua.
Las conclusiones del estudio fueron las siguientes:
Otro ejemplo de una membrana híbrida fabricada por sol-gel fue la desarrollada en el Consiglio Nacionale delle Ricerche (CNR) italiano (Solid State Ionics vol. 145 año 2001 pags. 101–107).
Para su fabricación se usaron dos heteropoliácidos (PWA y SiWA), que son sólidos iónicos de alto peso molecular que tienen una conductividad protónica muy alta, en combinación con sílice, y el material resultante fue añadido a la membrana de Nafion mediante un baño ultrasónico.
La imagen anterior corresponde a una estructura Dawson que presentan algunos heteropoliácidos.
En general, la estrategia se puede resumir en preparar mediante procesos sol-gel membranas híbridas de Sílice/Nafion o materiales como los citados anteriormente, u otros diferentes como el óxido de wolframio, fosfatos o polianilina.
En lo referente a los materiales distintos del Nafion, hay membranas de dos tipos: las inorgánicas y las de nanocompuestos orgánico-inorgánicos no fluorados. No obstante, como el hilo ya me ha quedado bastante largo, estas las dejamos para otra ocasión. ¡Hasta la próxima!
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