Un grupo internacional de científicos de Rusia, Francia y Alemania ha desarrollado membranas sintéticas de intercambio iónico basadas en compuestos anfifílicos que pueden convertir la energía de las reacciones químicas en corriente eléctrica. El nuevo desarrollo descrito en la revista Química Física, Física Química podría utilizarse potencialmente en celdas de combustible y en procesos de separación y purificación. El estudio fue realizado por el Laboratorio de Materiales Orgánicos e Híbridos Funcionales de MIPT, que se inauguró en 2014.
Las celdas de combustible consisten en celdas galvánicas separadas y sus parientes más cercanos son las baterías celdas primarias y los acumuladores celdas secundarias. Las baterías convierten la energía de la reacción entre un agente oxidante y un agente reductor, y dejan de funcionar cuando se usan estos agentes.arriba. Un acumulador puede almacenar energía eléctrica aplicada desde una fuente externa, convertirla en energía química y liberarla nuevamente, invirtiendo el proceso. Por otro lado, una pila de combustible, que también es un generador electroquímico, obtienelos materiales que necesita para funcionar desde una fuente externa. Estos materiales son a
agente reductor generalmente hidrógeno, metanol o metano y un agente oxidante, oxígeno. Proporcionar estos materiales de una fuente externa significa que se puede obtener electricidad de una pila de combustible continuamente sin tener que detenerse para recargarse mientras las partes dela celda está funcionando correctamente
Los elementos principales de este generador son un cátodo y un ánodo, separados por una membrana de intercambio iónico.
En el cátodo, el agente reductor se disocia: un electrón se separa de una molécula de hidrógeno u otro combustible y, por lo tanto, se forma un ión de hidrógeno cargado positivamente, un protón. La membrana permite el paso de los protones, pero retienelos electrones: estas partículas se ven obligadas a tomar la "ruta larga" a través de un circuito externo. Solo una vez que han pasado a través de este circuito el dispositivo que alimenta la celda de combustible pueden llegar al ánodo donde encuentran oxígeno y protones.que pasó a través de la membrana para combinarse y formar agua. Los electrones, que se ven obligados a rodear la membrana, crean una corriente en el circuito externo que puede utilizarse.
¿Por qué necesitamos pilas de combustible y por qué no se usan más ampliamente?
Las celdas de combustible usan el mismo combustible que se puede quemar en los motores de combustión interna convencionales que producen los mismos productos básicos: vapor de agua en el caso del hidrógeno y vapor de agua con dióxido de carbono en el caso del combustible orgánico. Sin embargo, en comparación con un combustible tradicionalmotor, una celda de combustible tiene al menos dos ventajas: primero, el proceso se lleva a cabo a una temperatura más baja sin una cantidad de emisiones nocivas como los óxidos de nitrógeno, en segundo lugar, las celdas de combustible pueden tener un nivel mucho más alto de eficiencia.limitado por las leyes termodinámicas por ejemplo, no permiten un coeficiente de eficiencia de más del 80%, pero tales leyes no se aplican a las celdas de combustible.
En una serie de aplicaciones tecnológicas, las celdas de combustible tienen una buena oportunidad de reemplazar al menos los motores de combustión interna. Sin embargo, antes de que esto suceda, será necesario instalar una infraestructura especial el hidrógeno debe almacenarse en algún lugar, se requerirá especialestaciones de servicio, tuberías diseñadas para altas presiones, tanques de combustible y se deberán realizar una serie de mejoras en las celdas de combustible.
Elegir la membrana correcta desempeñará un papel muy importante, si no esencial, en la mejora de las celdas de combustible: el material del que está hecha la membrana debe ser lo más económico posible, químicamente estable, tecnológicamente avanzado, y sus poros deben proporcionar la cantidad adecuadaselectividad: los químicos y los físicos no solo revisan los materiales al azar, sino que realizan experimentos específicos para crear nanoestructuras con propiedades predeterminadas.
ingeniería molecular
Científicos del MIPT, el Instituto de Problemas de Física Química, la Universidad Estatal de Moscú, el Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse y el DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials de RWTH Aachen University han aprendido cómo formar poros de ciertas moléculas para las membranasde una celda de combustible para que la abertura tenga exactamente el diámetro requerido para el funcionamiento óptimo de la celda.
Las moléculas en cuestión con los nombres de trabajo A-Na y Azo-Na son sustancias prometedoras que se clasifican como bencenosulfonatos. Tienen forma de cuña ver imagen de arriba y pueden ensamblarse independientemente en estructuras supramoleculares - grupos organizados complejos demoléculas múltiples. Dependiendo de las condiciones establecidas por los científicos, las moléculas forman discos que, a su vez, forman columnas con canales iónicos en el interior.
Este autoensamblaje de estructuras complejas de moléculas individuales es posible debido a sus propiedades eléctricas. En un extremo de estas moléculas hay un grupo químico polar, es decir, un grupo con una carga eléctrica, y en una solución, naturalmente, gira hacia el agua cargadamoléculas. En el otro extremo de estas moléculas hay "colas" de hidrocarburos no polares que nuevamente debido a sus propiedades eléctricas intentan mantenerse lo más lejos posible de las moléculas de agua: este mecanismo es lo que causa la formación de una película de jabón, unmembrana celular y una gotita de grasa en la superficie del caldo de cocción.
Los científicos pudieron predecir la formación de estos discos con poros y cilindros basándose en información sobre la estructura de los bencenosulfonatos que se investigan, su geometría y propiedades físicas y químicas. Utilizando esta información, los científicos primero hicieron un modelo matemático basado en elpropiedades de estructuras supramoleculares complejas formadas por A-Na y Azo-Na y solo entonces comenzaron sus experimentos. Durante estos experimentos, obtuvieron varias formas diferentes de canales iónicos que mantienen las sustancias a una cierta humedad y temperatura, y luego las irradian conLuz UV para polimerización.
Los polímeros creados con este método se probaron para determinar la permeabilidad selectiva de los iones y esto permitió a los científicos identificar qué condiciones de síntesis de membranas de polímeros son las más adecuadas para fabricar celdas de combustible potenciales.
del catalizador a las moléculas
El enfoque moderno para producir estructuras que se ordenan a nivel molecular no solo involucra modelos de computadora y elegir lógicamente las condiciones para sintetizar los polímeros requeridos. Los investigadores ahora pueden controlar los resultados de su trabajo observando directamente la forma de las moléculaso estructuras supramoleculares que producen.
La estructura de los complejos obtenidos fue confirmada por el análisis de dispersión de rayos X de una fuente de radiación sincrotrónica. Este método se utiliza cuando los científicos necesitan descubrir la estructura de algo a una escala que no se puede ver con un microscopio óptico: los nanoporoscreados por los investigadores en su estudio tenían solo unos pocos nanómetros de ancho; esto es más de diez veces más pequeño que una onda de luz visible.
En la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón en Grenoble Francia, los polímeros se estudiaron mediante análisis de rayos X. Los rayos X se dispersaron sobre las muestras y el análisis del patrón de difracción resultante permitió a los investigadores establecer el tamaño exacto de los poros enlos nuevos polímeros
El tamaño de poro está directamente relacionado con la eficiencia de la celda de combustible. La permeabilidad selectiva de estos poros, que se asemejan a la apertura de una cámara, determina cuán eficientemente se filtran los iones y, en consecuencia, cuán eficientemente se convierte la energía en una celda de combustible.
Calentamiento global e ingeniería molecular
El nuevo estudio, en el que los especialistas de MIPT participaron activamente, no solo muestra cómo se puede obtener un material prometedor de ciertas moléculas y los métodos que se utilizan para hacer esto. Nos permite mirar desde un ángulo inesperado a un problemaque a primera vista puede parecer completamente ajeno a la química orgánica o al análisis de rayos X, el problema del calentamiento global, un tema que surgió nuevamente en las noticias recientemente después de que se firmó un acuerdo internacional en París sobre la reducción de las emisiones de carbono.
Hoy, la comunidad científica reconoce casi por unanimidad que la temperatura promedio en el planeta está aumentando y esto está sucediendo debido a la mayor concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Este gas, que atrapa el calor, se libera principalmente al quemarcombustibles orgánicos: por lo tanto, una medida efectiva para evitar un mayor aumento de la temperatura sería cambiar a tecnologías que no utilicen petróleo, carbón y gas. Sin embargo, rediseñar radicalmente prácticamente toda la infraestructura tecnológica no es posible sin una alternativa aceptable a la combustión internamotores: acumuladores eléctricos y motores eléctricos, o celdas de combustible con motores eléctricos.
Las celdas de combustible por sí mismas no resolverán el problema del aumento de las temperaturas en el planeta. Pero son parte de una posible solución: y esto significa que la autoorganización de las estructuras supramoleculares de dos sustancias prometedoras con el nombre en código A-Na y Azo-Natambién se puede considerar parte de una tarea global. Incluso si los autores de un estudio en particular no lo declaran explícitamente, muchos resultados científicos a menudo pueden influir en la vida de las personas de maneras inesperadas.
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Materiales proporcionados por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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