Electrochemical catalysts: from electrocatalysis to bioelectrocatalysis

M. A. PASQUALE; A. E. BOLZÁN; A. J. ARVIA

Catalysis in Electrochemistry: from Fundamental Aspects to Strategies for Fuel Cell Applications

John Wiley and Sons, Inc.

Año: 2009;

En las celdas de combustible se utilizan una gran variedad de materiales electrocatalíticos, tales como metales puros, aleaciones, materiales amorfos, óxidos, perovsquitas, carbones, complejos organometálicos, polímeros, substratos conductores químicamente modificados, semiconductores y materiales biológicos, tales como encimas y organismos vivos. Las celdas de combustibles relativamente más simples son aquellas constituidas por catalizadores inorgánicos como electrodos, generados por dispersión de un metal sobre un substrato conductor o por un metal tratado para aumentar el área superficial, y alimentados con hidrógeno o con metanol como combustibles en el caso del ánodo o con oxígeno/aire para cátodo. Las reacciones electroquímicas globales producen energía y agua o agua y dióxido de carbono, a partir de la oxidación del hidrógeno o del metanol, respectivamente. También resulta común el uso de alcanos de bajo peso molecular como reactivos reformados que contienen hidrógeno, para alimentar al compartimiento anódico. En la actualidad se encuentran bajo continua investigación otras celdas de combustibles más complejas, que involucran electrodos bio-electrocatalíticos constituidos por enzimas u organismos vivos tales como bacterias, con el objetivo de encontrar sistemas más eficientes y amigables con el medio ambiente. En este aspecto, los bio-catalizadores resultan de particular importancia, para imitar tanto como sea posible a los sistemas naturales, cuya alta eficiencia en los procesos de conversión de energía es conocida. Las enzimas en las criaturas vivientes extraen energía de los alimentos, tales como glucosa, para sustentar la vida. Consecuentemente, son excelentes candidatos para construir fuentes de energía que puedan implantarse en el cuerpo humano y sean capaces de abastecer el requerimiento energético de un corazón artificial o equipos de monitoreo de niveles de glucosa en la sangre o de algún agente químico que señale el desarrollo de alguna enfermedad particular. Este capítulo se limita a describir algunos aspectos básicos relacionados a la electroquímica de las celdas de combustible con electrodos de creciente complejidad, tales como materiales nanoestructurados, y distintos tipos de electrodo usados en la actualidad. Las bio-celdas de combustibles están lejos de ser comercialmente rentables, como lo son las celdas tradicionales, y aunque todavía enfrentan muchos desafíos, el progreso logrado en los últimos años fue de tal magnitud, que merecen una atención particular. En este capítulo los sistemas electroquímicos se agrupan de acuerdo a su naturaleza química como sistemas electrocatalíticos y bioelectrocatalíticos. La complejidad creciente de los electrodos diseñados para las celdas de combustibles al ir de los metales puros a las celdas en las que intervienen enzimas y organismos vivos, muestra que se requiere un tratamiento interdisciplinario del tema, particularmente cuando se intenta mejorar la eficiencia electrocatalítica, la estabilidad y la durabilidad en operación de la celda, aproximándonos a los sistemas encontrados en la naturaleza. Este enfoque interdisciplinario se ve en el estudio de los sistemas supramoleculares funcionales, donde se relacionan las ciencias de la vida y de los materiales. Estos sistemas ponen de manifiesto que el esfuerzo científico de imitar la organización de los sistemas naturales debe enfocarse en la “performance” de los agregados moleculares auto-organizados, en los que “el todo es más que la suma de sus partes”.