Un modelo teórico permite prever el desempeño de células de combustibles

Las ecuaciones pueden aplicarse también en otros diversos sistemas que combinen procesos en distintas escalas de tiempo

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – El lento deterioro de los catalizadores, que ocurre a medida que la superficie del aparato queda recubierta por una pátina de óxidos, representa un factor crítico en las células de combustibles que convierten energía química en energía eléctrica, y que se utilizan en la propulsión de vehículos, por ejemplo.

Hasta ahora, si se deseara responder con exactitud por cuánto tiempo más se mantendría operante una célula, se haría necesario interrumpir el proceso, abrir el dispositivo, retirar el catalizador y analizar su superficie, algo inviable desde el punto de vista práctico.

Pero un grupo de científicos brasileños y alemanes que contó con la coordinación de Hamilton Varela, docente del Instituto de Química de São Carlos de la Universidad de São Paulo (USP), presentó una nueva metodología destinada a hacer esa evaluación, que no requiere la caracterización del estado del catalizador.

Un artículo a cargo del grupo, en el cual se informó acerca del resultado, intitulado Coupled slow and fast surface dynamics in an electrocatalytic oscillator: model and simulations, salió estampado en la portada de la publicación científica periódica The Journal of Chemical Physics.

En dicho artículo, elaborado a partir de la teoría y de simulaciones computacionales, se presenta un conjunto de ecuaciones que pueden utilizarse siempre que exista un proceso de catálisis en régimen oscilatorio combinado con un proceso de envenenamiento lento del catalizador. “No hemos creado ningún material, sino un nuevo concepto y una nueva metodología para su aplicación”, declaró Varela a Agência FAPESP.

El punto de partida para el desarrollo del modelo fue un experimento práctico de oxidación de ácido fórmico sobre una superficie catalizadora de platino y estaño.

El resultado del experimento, a cargo de Varela y colaboradores, y que contó con el apoyo de la FAPESP, salió publicado también en 2014, destacado en la portada de la revista ChemFhysChem, en el artículo intitulado Long-Lasting Oscillations in the Electro-Oxidation of Formic Acid on PtSn Intermetallic Surfaces.

“En ese experimento verificamos que si se utilizaba un catalizador de platino puro el sistema empezaba a oscilar y moría rápidamente debido a la oxidación del metal. Entonces reemplazamos el catalizador de platino por otro de platino y estaño”, dijo Varela.

“Constatamos que el agregado de estaño incrementaba sustancialmente la actividad catalítica, retardaba la oxidación de la superficie del catalizador y estabilizaba el proceso de reacción durante más de 2.200 ciclos oscilatorios. Anteriormente el proceso resistía durante tan sólo algunas decenas de ciclos”, dijo.

El nuevo modelo permite afrontar problemas como éste y otros de manera mucho más vasta. “Salimos de lo específico y fuimos hacia lo general”, comentó el investigador.

El secreto consiste en conducir la reacción catalítica de interés en régimen oscilatorio. “Al investigar la evolución del sistema a largo plazo, nos percatamos de que las características de las oscilaciones cambian a medida que la superficie del catalizador va quedando recubierta y perdiendo actividad”, dijo Varela.

“Comprendimos entonces que si midiésemos la variación de las oscilaciones podríamos determinar con precisión el estado del catalizador y hacer pronósticos sobre su funcionamiento, sin necesidad de caracterizar físicamente su superficie”, explicó.

“La variación del patrón oscilatorio informa sobre la superficie del catalizador. Es un concepto enteramente nuevo en términos de caracterización y evolución de sistemas”, resumió.

Conjugación de dinámicas

En razón de su amplitud, el modelo puede aplicarse a una gran variedad de fenómenos, no solamente en la operación de células de combustibles. La condición consiste en que exista la conjugación de dos dinámicas, una oscilatoria y otra de largo plazo.

“Los acoplamientos de procesos que se producen en escalas de tiempo completamente distintas son comunes en toda la naturaleza. En el cuerpo humano, por ejemplo, el ritmo cardíaco, que se caracteriza por decenas de latidos por minuto, está acoplado al ritmo del envejecimiento, que ocurre muy lentamente. Son ritmos que difieren debido a un factor que asciende a 10 elevado a la sexta potencia”, comparó Varela.

El investigador destacó la afinidad del estudio teórico que resultó en el nuevo modelo con el trabajo desarrollado por el físico alemán Gerhard Ertl, ganador del Premio Nobel de Química de 2007 precisamente por sus estudios de procesos de catálisis sobre superficies metálicas.

Entre 2000 y 2003, Varela cursó su doctorado en el Departamento de Fisicoquímica del Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft de Berlín, bajo la dirección de Ertl y con beca de la Sociedad Max Planck. Con beca posdoctoral de la FAPESP, regresó al Fritz-Haber-Institut y es miembro del comité científico del Ertl Center for Electrochemistry and Catalysis, instalado en la ciudad de Gwangju, en Corea del Sur, bajo la dirección del físico alemán. Markus Eiswirth, uno de los coautores del artículo publicado en el Journal of Chemical Physics, es vicedirector del Ertl Center.

En el mensaje que escribió con motivo de la fundación del centro que lleva su nombre, Ertl hizo mención a los graves problemas que afectan al mundo en lo que se refiere al medio ambiente, al clima, a la conversión de energía, a las materias primas y a los alimentos, y destacó el papel de la Química, especialmente en lo atinente a la conexión entre la electroquímica y la catálisis, para afrontar estos retos.