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La simulación de catalizadores complejos clave para hacer pilas de combustible potentes y baratas

Utilizando una combinación única de métodos computacionales avanzados, investigadores químicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desmitificado parte de la compleja química catalítica en pilas de combustible- un avance que supone unas pilas de combustible rentables más cercanas a la realidad.

Las pilas de combustible generan electricidad mediante la combinación de electrones y protones -proporcionados por un combustible químico, tal como metanol- con el oxígeno del aire. Para hacer que la reacción que genera protones sea más rápida, las pilas de combustible típicamente contienen catalizadores. Con el adecuado catalizador y suficiente combustible y aire, las pilas de combustible podrían proporcionar energía de manera muy eficiente.

A primera vista, la química parece sencilla: moléculas de metanol inundadas en un medio acuoso se asientan sobre una superficie de platino y renuncian a uno de sus cuatro átomos de hidrógeno. El movimiento de esos electrones a partir de este átomo de hidrógeno crea una corriente eléctrica. En realidad, la situación no es tan simple.

Algún día, las pilas de combustible podrían hacer que las baterías de los portátiles quedaran obsoletas. Meras cucharadas de metanol podrían proporcionar potencialmente hasta 20 horas de energía continua.

Las moléculas de agua no son alelíes, situadas al margen de las moléculas de metanol que reaccionan con el platino; más bien, de vez en cuando interrumpen el baile químico. Y variando la tensión en la superficie electrificada del catalizador de platino se enreda aún más el tempo de la reacción.

Anteriormente, los químicos únicamente simulaban escenarios simplificados - pilas de combustible sin agua en la mezcla, o superficies catalíticas que no chisporroteaban con la electricidad. Como era de esperar, las conclusiones basadas en este tipo de simplificaciones no pudieron capturar plenamente la enorme complejidad de las reacciones del mundo real.

Mavrikakis y sus colegas combinaron su experiencia en dos técnicas computacionales de gran alcance para crear una descripción más exacta de un entorno real muy complejo.

Estos investigadores utilizaron por primera vez la teoría funcional de la densidad para resolver las fuerzas de la mecánica cuántica y la energía entre los átomos individuales, a continuación construyeron un esquema sobre los resultados utilizando métodos de dinámica molecular para simular grandes conjuntos de moléculas de agua y metanol que interactúan entre sí y con la superficie de platino.

Las simulaciones detalladas revelaron que la presencia de agua en una pila de combustible juega un papel muy importante en dictar que átomos de hidrógeno se rompen libremente a partir de metanol- un resultado que los métodos más simples nunca podrían haber capturado. La carga eléctrica también determina el orden en que el metanol se descompone, sorprendentemente trasponiendo la primera etapa en el electrodo positivo.

Este tipo de información permite a los científicos predecir qué productos secundarios podrían acumularse en una reacción mixta, y seleccionar los mejores ingredientes para las pilas de combustible futuras.