El estudio internacional, descrito en Nature Communications y del que participaron especialistas del CONICET, sienta bases para incrementar la eficiencia de tecnologías de energía verde.

El uso de campos magnéticos podría mejorar la eficiencia de producción de hidrógeno y otros combustibles verdes, o también llamados limpios, que son amigables con el ambiente y que se emplean en la actualidad en algunos autos y trenes.

Así lo revela un estudio publicado en Nature Communications del que participaron especialistas del CONICET y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza.

“En este trabajo demostramos que la aplicación de campos magnéticos en sistemas electroquímicos puede mejorar el transporte de reactivos hacia el sitio de reacción, aumentando así la eficiencia de procesos empleados en la producción y el uso de combustibles sustentables”, indica Priscila Vensaus, primera autora del estudio y becaria doctoral del CONICET en el Instituto de Nanosistemas, Escuela de Bio y Nanotecnologías (UNSAM).

Vensaus explica que al colocarse un imán cercano a una celda se genera un movimiento en la solución similar a la agitación. “Esto resultó particularmente beneficioso para la reacción de reducción de oxígeno, una reacción clave en las celdas de combustible que se utilizan por ejemplo para generar energía a partir del hidrógeno”, indica la becaria doctoral del CONICET.

“Muchos de nosotros estamos preocupados por encontrar formas más limpias de energizar al mundo, pero cada vez la tarea se vuelve más difícil, ya que también nos estamos quedando sin metales preciosos que se utilizan como electrocatalizadores para acelerar la conversión de energía de pequeñas moléculas en combustibles. Necesitamos encontrar maneras de usar materiales accesibles para lograr funciones químicas complejas. En mi opinión, la manera es imitar lo que la naturaleza ya hace muy inteligentemente: usar precisión atómica y procesos controlados a la nanoescala, usar el espín de los electrones para transmitir información. Este trabajo es parte de un campo nuevo de investigación que estamos desarrollando en mi laboratorio”, señala Magalí Lingenfelder, coordinadora científica de la red de científicos argentinos en Suiza (RCAS) y directora del estudio que se realizó en su laboratorio en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), Suiza.

Para Lingenfelder hay muchas preguntas abiertas sobre cómo mejorar la eficiencia de los procesos de producción de combustibles sustentables. “Nuestro trabajo nos permitió entender los procesos fundamentales que ocurren al aplicar un campo magnético que afecta universalmente a cualquier carga, permitiendo controlar el flujo de reactivos y productos desde y hacia el catalizador. Entender los mecanismos permite saber las condiciones en las cuáles pueden ser aplicados y maximizar su efecto, por ejemplo, para la reacción de reducción de oxígeno pudimos obtener un 50% de mejora en estudios de laboratorio”.

Eficiencia de reacciones para la producción de energía

El estudio internacional se centró en la electrocatálisis, un proceso clave en la producción de combustibles limpios, donde se facilita una reacción de transferencia de electrones.

“Una aplicación de la electrocatálisis tiene lugar en el proceso de electrólisis, que utiliza la energía eléctrica para descomponer el agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Esta energía puede provenir de fuentes renovables como la solar o la eólica, lo que hace que la producción de hidrógeno sea más limpia y sostenible”, explica Vensaus.

Y continúa: “Se dice que el hidrógeno va a ser el combustible del futuro porque puede almacenar energía de manera similar a los combustibles tradicionales como la gasolina. La principal ventaja es que cuando se lo usa para generar electricidad nuevamente, sólo se forma agua como producto, lo que lo convierte en una alternativa muy limpia y libre de emisiones de carbono”.

Si bien es una tecnología relativamente nueva, ya existen algunas compañías que venden autos o trenes que funcionan con hidrógeno. “La dificultad actual está en mejorar la eficiencia de los procesos de electrólisis para poder generarlo a partir de energías limpias, y no mediante otros procesos contaminantes”, puntualiza Vensaus.

A menudo, los métodos tradicionales de electrocatálisis – que se emplean en la industria que produce combustibles verdes – no logran maximizar el transporte de reactivos a la superficie del catalizador, que es un paso clave en la conversión de energía. Esto reduce la eficiencia general de la reacción y enlentece el progreso hacia soluciones de energía limpia.

En este contexto y mediante la realización de experimentos que involucraron el desarrollo de un nuevo sistema experimental el equipo de investigación demostró que el uso de campos magnéticos puede impulsar y hacer más eficiente la electrocatálisis.

“Desde la nanociencia controlamos la materia a escala atómica, la siguiente frontera es controlar los procesos a nivel cuántico, en ese sentido usar campos magnéticos u otros fenómenos de control de espín que exploramos en mi laboratorio nos permitirán un grado exquisito de control sobre la eficiencia y selectividad de productos. Claramente, la industria tiene gran interés en este campo y ya contamos con proyectos en colaboración con la industria automotriz europea que busca descarbonizarse”, afirma Lingenfelder quien en 2008 recibió la medalla Otto Hahn de la prestigiosa Sociedad Max Planck, de Alemania, por sus estudios centrados en “reconocimiento quiral en superficies”, y en 2018 fue destacada por la Royal Society of Chemistry entre 100 químicas que hacen trabajo de excelencia en investigación.

“En el campo de las energías renovables, uno de los objetivos es mejorar la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua. En particular, se busca encontrar nuevos efectos para controlar externamente esta reacción. Una de ellas es el uso de campos magnéticos. En este caso particular, había una discusión muy fuerte sobre el rol del campo magnético en la generación de hidrógeno. Se había planteado que usar electrodos magnéticos mejoraba la reacción. Sin embargo, esto era difícil de reproducir”, indica Galo Soler-Illia, investigador del CONICET en el Instituto de Nanosistemas de la Universidad Nacional de San Martín (INS, UNSAM) y también autor del trabajo. Y agrega: “En este trabajo, encontramos que aun usando electrodos no magnéticos obteníamos mejoras. Esto nos permitió encontrar y comprender un nuevo efecto, que involucra la interacción de este campo con las sales que están en la solución. De la misma manera que un campo magnético puede inducir una corriente eléctrica, como nos enseñan en el colegio, observamos que la magnetización podía hacer que los cationes y aniones presentes en solución se desplacen y de alguna manera agiten la solución. Esto mejoraba el acceso de los reactivos al electrodo, y hacía más favorable la reacción”.

“Era muy interesante ver burbujas desprenderse formando caminos sinuosos, y a partir de la interpretación de este comportamiento inusual pero muy reproducible surgió la idea de ’echarle la culpa’ a los diminutos iones que nos ayudan a obtener más hidrógeno. Fue un trabajo muy interesante, en el que cada uno puso lo mejor de su experticia para comprender este fenómeno tan complejo como interesante. Una verdadera experiencia interdisciplinaria que aporta información que puede ser de relevancia para la industria de las energías limpias”, concluye Soler-Illia.

El estudio fue co-financiado por una beca de excelencia del gobierno suizo y por el MPI-EPFL Center of Molecular Nanoscience and Technology. Del estudio también participaron Yunchang Liang, también primer autor del trabajo e integrante del Laboratorio Max Planck-EPFL de Nanociencia y Tecnología Molecular y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), y Jean-Philippe Ansermet, del Instituto de Física (IPHYS) del EPFL.