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(noticias nanowerk) Los investigadores han logrado avances significativos en el desarrollo de membranas avanzadas para pilas de combustible que podrían permitir tecnologías más ecológicas, como las pilas de combustible directas de metanol y ácido fórmico directo. Estas pilas de combustible pueden convertir el dióxido de carbono en combustibles útiles utilizando electricidad renovable, revolucionando potencialmente los sistemas energéticos sostenibles. Sin embargo, un desafío importante es evitar que el combustible penetre en las membranas, lo que reduce la eficiencia.
Ahora, científicos de la Universidad de Tsukuba han desarrollado membranas basadas en grafeno que bloquean esta transición de combustible y al mismo tiempo permiten una alta conductividad de protones, lo que representa un avance importante en la viabilidad de las pilas de combustible neutras en carbono.
Los investigadores se centraron en modificar el grafeno, una capa de carbono de un átomo de espesor con propiedades notables. Si bien las láminas de grafeno simples pueden reducir la transferencia de combustible, también inhiben la conductividad de protones, que es fundamental para el rendimiento de las pilas de combustible. Al introducir agujeros a nanoescala y grupos funcionales de ácido sulfanílico en el grafeno, los científicos lograron un equilibrio óptimo.
Este grafeno perforado funcionalizado con sulfanilo permitió una conductividad de protones comparable a la de las membranas de pilas de combustible estándar y, al mismo tiempo, redujo la transferencia de metanol y ácido fórmico en aproximadamente un 80% y un 60%, respectivamente. Según los investigadores, los nanoagujeros permiten el paso selectivo de protones a través de moléculas de combustible, mientras que los grupos sulfanilo permiten una rápida transferencia de protones entre agujeros mediante un «mecanismo de Grotthuss». Los modelos informáticos mostraron que los grupos funcionales aumentaban las barreras energéticas para impulsar los eventos de cruce.
«Estos efectos sinérgicos de la introducción de agujeros y grupos funcionalizados con sulfanilo en el grafeno desempeñan un papel crucial en el equilibrio de la transferencia selectiva de protones y la supresión de la transición de las moléculas de combustible», dijo el Dr. Yoshikazu Ito de la Universidad de Tsukuba, autor principal del estudio publicado en ciencia avanzada (“Supresión del cruce de metanol y formiato mediante grafeno hueco funcionalizado con sulfanilo como membranas de intercambio de protones”).
Las pilas de combustible directas de ácido fórmico y metanol podrían proporcionar energía limpia para dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos mediante la oxidación electroquímica de combustibles líquidos sin combustión. Pero el cruce de combustible planteó una limitación importante, reduciendo la eficiencia y el rendimiento. Al intercalar grafeno funcionalizado entre membranas de polímero Nafion estándar, Ito y su equipo redujeron la transferencia de metanol y ácido fórmico a un nivel suficiente para aplicaciones prácticas.
Si bien trabajos anteriores han modificado las membranas de Nafion con materiales como el óxido de grafeno para reducir el cruce, esto a menudo se ha producido a expensas de una reducción de la conducción de protones. Según los investigadores, las capas extremadamente finas de grafeno funcionalizado sólo afectan mínimamente a la alta conductividad de protones de Nafion.
El grupo de Ito examinó sistemáticamente el número de capas de grafeno y descubrió que dos o tres producían resultados óptimos. «Nuestros hallazgos deberían contribuir al desarrollo de células electrosintéticas para CO electroquímico».2 reducción y pilas de combustible avanzadas como DMFC y DFAFC”, dijo Ito, refiriéndose a las pilas de combustible directas de metanol y ácido fórmico directo.
Los investigadores sugieren que las membranas especiales de las pilas de combustible que integran grafeno funcionalizado también podrían aplicarse a otros combustibles químicos como el amoníaco y el peróxido de hidrógeno. Al proporcionar un método simple para equilibrar la conducción de protones y la transferencia de combustible, este avance elimina un obstáculo importante para los sistemas de pilas de combustible que pueden utilizar recursos renovables y reducir la dependencia de los combustibles fósiles. El equipo de Ito ya está buscando formas de aumentar la fabricación.
Según la Dra. Según Samuel Jeong, autor principal del estudio, «esta tecnología basada en grafeno es un método simple pero potente para el diseño racional de membranas de combustible». Con un mayor desarrollo, las membranas de grafeno funcionalizadas con sulfanilo pronto podrían convertirse en un componente clave para la energía sostenible. innovaciones.
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