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Modelos computacionales para propiciar energías limpias

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
31/ago/2016

Setenta años después de que el ingeniero inglés Francis Thomas Bacon ingresara al King’s London College, en Inglaterra, para trabajar en las llamadas celdas de combustible, un mexicano que hoy forma parte del Instituto de Física ingresó a la misma institución.

En el 2013, Lauro Paz Olvier Borbón llegó al King's London para realizar estudios computacionales de celdas de combustible, las cuales generan electricidad con una producción prácticamente nula de residuos contaminantes, siendo buenas competidoras en la carrera por lograr energías limpias.

El resultado de ese trabajo se publicó recientemente en en la revista ACS Catalysis, con un artículo que escribió el investigador mexicano junto con sus colegas Francesca Baletto y Gian Asara, del King’s College London, titulado: "Get in Touch and Keep in Contact: Interface Effect on the Oxygen Reduction Reaction (ORR) Activity for Supported PtNi Nanoparticles".

Durante su última estancia posdoctoral en el King’s London College, antes de volar a México e iniciar como investigador en el Instituto de Física, Lauro Oliver se planteó el objetivo de hacer un modelo computacional realista de nano-partículas de platino (Pt) en aleación con níquel (Ni), soportadas sobre un substrato. Su objetivo era entender la química de la nano-aleación, particularmente su reactividad, en uno de los primeros pasos en la reducción de oxígeno molecular, que es en sí el proceso de adsorción del O2.

En el artículo, reporta justamente sus cálculos computacionales para el análisis de los sitios de absorción de la molécula de oxígeno (O2) en nano-partículas bimetálicas de platino-níquel (Pt/Ni) menores a 2 nanómetros (nm).

Las estructuras empleadas en sus cálculos corresponden a modelos geométricos de las nano-partículas sintetizadas experimentalmente para su uso en celdas de combustible, aunque a tamaños menores debido a limitantes computacionales.

Las celdas de combustible constan de dos electrodos, uno negativo (ánodo) - donde ocurre la disociación de hidrógeno (H2) molecular - y uno positivo (cátodo) - donde se lleva a cabo la reducción de oxígeno (O2) molecular - ambos se encuentran sumergidos en un electrolito, quien lleva eléctricamente a las partículas cargadas de un electrodo a otro. Dentro del mismo, se encuentra un catalizador - generalmente - a base de platino puro (Pt), que acelera ambas reacciones en los electrodos.

“La idea a largo plazo es tener una aleación de platino con otro metal, más barato”, en este caso el níquel (Ni), y que esta aleación “tenga las mismas, o mejores, propiedades que el catalizador de platino (Pt) puro”.

De acuerdo con el investigador, el entender este tipo de nano-catalizadores bimetálicos conllevaría a “mejorar las reacciones de interacción entre el catalizador y el oxígeno, y a su vez, propiciar un incremento en la producción de estas celdas de combustible debido a una reducción en costos pues es posible tener una menor concentración de platino en la celda”, dice a Noticias IFUNAM el investigador Lauro Oliver.

Por esto, Oliver se ha concentrado en crear modelos realistas por computadora de nano-partículas de Pt-Ni soportadas que ya se han usado experimentalmente en la manufactura de las celdas de combustible. “Nos enfocamos en diseñar una nano-partícula modelo para estudiar los posibles sitios para la absorción de oxígeno”, explica Oliver.

El tamaño sí importa

Las celdas de combustible transforman la energía química, liberada durante la reacción electroquímica de hidrógeno y oxígeno, a energía eléctrica. Es por ello que entender la interacción del oxígeno molecular (O2) con el catalizador es bastante importante.

Entre otras cosas, la nano-aleación debe ser resistente al entorno corrosivo de las condiciones de reacción de la celda de combustible. “En nuestro caso, tratar de simular el ambiente de la celda de combustible es bastante complejo aún, y una de nuestras limitantes actuales es el tener modelos computacionales de nano-partículas tan grandes como las sintetizadas experimentalmente (alrededor de 10 nm) y que aún puedan ser tratadas con métodos mecánico-cuánticos como los que empleamos”, señala Oliver.

En sus resultados, Lauro Oliver y sus colegas observan que existe una relación muy fuerte entre el tamaño de la nano-partícula de platino/níquel y las energías de adsorción para la molécula de oxígeno. Los resultados muestran que para tamaños menores a los 50 átomos, las nano-partículas son muy reactivas, lo que quiere decir que cuando llega el oxígeno pueden ocurrir dos cosas: o se pega muy fuerte o se disocia (se parte en 2 átomos de oxígeno).

Sin embargo, ninguna de estas dos situaciones es deseable, y lo que se busca es tener una energía de adsorción de O2 en las nano-partículas de Pt-Ni que no sea ni muy fuerte ni muy débil. Esta energía de adsorción impacta directamente en la barrera de disociación de la molécula de O2, así como en pasos subsecuentes de la reacción, de modo que el catalizador pierda eficiencia hasta dejar de funcionar.

... Sabiéndolo acomodar

En sus modelos, Lauro Oliver eligió dos maneras diferentes de acomodar los átomos de platino y níquel, al momento de formar las nano-partículas Pt-Ni modelo: un cubo-octaedro con 86 átomos y un octaedro truncado de 82 átomos, como se aprecia en la imagen:

En sus modelos, empleó un centro hecho a base de níquel y una capa de platino. Esto hace que los tamaños resultantes de las nano-partículas simuladas sean del orden de 1.5 nm, mientras que, refiere el investigador, “las reportadas como más adecuadas en su uso experimentalmente son las del orden de 6 o 7 nanómetros”.

A diferencia de otras investigaciones sobre celdas de combustible, Oliver colocó sus nano-partículas modelo en un soporte de óxido de magnesio (MgO). Este material fue elegido ya que es posible tratarlo de una manera relativamente fácil en el modelo, además de que no presenta ningún comportamiento magnético que pudiera complicar aún más cálculos del modelo computacional. Sin embargo, “curiosamente, encontramos que cuando pusimos unos átomos de níquel en contacto con el sustrato del óxido de magnesio, teníamos una pequeña reducción en las energías de adsorción para O2 en todos los sitios de adsorción de estas nano-partículas de platino/níquel”.

En el futuro, el trabajo de Oliver puede contribuir a mejorar el entendimiento de las propiedades físico-químicas de los catalizadores metálicos empleados en nuevas celdas de combustible no contaminantes y que su misma elaboración sea lo suficientemente accesible. Esto permitiría su uso masivo en sistemas de generación de energía eléctrica en sistemas de transportación, tanto privado, público o comercial.