La cúrcuma, de la cocina a las pilas de combustible

La cúrcuma, una especia que se encuentra en la mayoría de las cocinas, tiene un extracto que podría conducir a celdas de combustible más seguras y eficientes.

Investigadores del Clemson Nanomaterials Institute (CNI) y sus colaboradores del Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL) en India descubrieron una forma novedosa de combinar curcumina, la sustancia de la cúrcuma, y ​​nanopartículas de oro para crear un electrodo que requiere 100 veces menos energía para convertir eficientemente el etanol en electricidad.

Si bien el equipo de investigación debe realizar más pruebas, el descubrimiento acerca un paso más al hidrógeno como materia prima para las pilas de combustible.

"De todos los catalizadores para la oxidación de alcohol en medio alcalino, el que preparamos es el mejor hasta ahora", dijo Apparao Rao, director fundador de CNI y profesor de física RA Bowen en la Facultad de Ciencias .

Celdas de combustible

Las celdas de combustible generan electricidad a través de una reacción química en lugar de combustión. Se utilizan para alimentar vehículos, edificios, dispositivos electrónicos portátiles y sistemas de energía de respaldo.

Las pilas de combustible de hidrógeno son muy eficientes y no producen gases de efecto invernadero. Si bien el hidrógeno es el elemento químico más común en el universo, debe derivarse de sustancias como el gas natural y los combustibles fósiles porque se presenta naturalmente en la Tierra solo en forma compuesta con otros elementos en forma líquida, gaseosa o sólida. La extracción necesaria aumenta el costo y el impacto ambiental de las celdas de combustible de hidrógeno.

Además, el hidrógeno utilizado en las celdas de combustible es un gas comprimido, lo que crea desafíos para el almacenamiento y el transporte. El etanol, un alcohol hecho de maíz u otros alimentos de origen agrícola, es más seguro y más fácil de transportar que el hidrógeno porque es un líquido.

“Para convertirlo en un producto comercial donde podamos llenar nuestros tanques con etanol, los electrodos deben ser altamente eficientes”, dijo Lakshman Ventrapragada, un ex alumno de Rao que trabajó como asistente de investigación en el CNI y es alumno de SSSIHL.

“Al mismo tiempo, no queremos electrodos muy caros o sustratos poliméricos sintéticos que no sean ecológicos porque eso anula todo el propósito. Queríamos buscar algo ecológico para el proceso de generación de celdas de combustible y hacer la celda de combustible en sí”.

Los investigadores se centraron en el ánodo de la pila de combustible, donde se oxida el etanol u otra fuente de alimentación.

Las pilas de combustible utilizan ampliamente el platino como catalizador. Pero el platino sufre de envenenamiento debido a los intermedios de reacción como el monóxido de carbono, dijo Ventrapragada. Además, es costoso.

Singularidad estructural

Los investigadores utilizaron oro como catalizador. En lugar de utilizar polímeros conductores, marcos orgánicos metálicos u otros materiales complejos para depositar el oro en la superficie del electrodo, los investigadores utilizaron curcumina debido a su singularidad estructural.

La curcumina se usa para decorar las nanopartículas de oro para estabilizarlas, formando una red porosa alrededor de las nanopartículas. Los investigadores depositaron la nanopartícula de oro de curcumina en la superficie del electrodo a una corriente eléctrica 100 veces menor que en estudios anteriores.

Sin el recubrimiento de curcumina, las nanopartículas de oro se aglomeran, reduciendo el área de la superficie expuesta a la reacción química.

“Sin este recubrimiento de curcumina, el rendimiento es pobre”, dijo Rao. “Necesitamos este recubrimiento para estabilizar y crear un ambiente poroso alrededor de las nanopartículas, y luego hacen un excelente trabajo con la oxidación del alcohol.

“Hay un gran impulso en la industria para la oxidación del alcohol. Este descubrimiento es un excelente facilitador para eso. El siguiente paso es escalar el proceso y trabajar con un colaborador industrial que realmente pueda fabricar las celdas de combustible y construir pilas de celdas de combustible para la aplicación real”, continuó.

Implicaciones más amplias

Pero la investigación podría tener implicaciones más amplias que las celdas de combustible mejoradas. Las propiedades únicas del electrodo podrían prestarse a futuras aplicaciones en sensores, supercondensadores y más.

En colaboración con el equipo de investigación de SSSIHL, el equipo de Rao está probando el electrodo como un sensor que podría ayudar a identificar cambios en el nivel de dopamina. La dopamina se ha implicado en trastornos como la enfermedad de Parkinson y el trastorno por déficit de atención con hiperactividad. Cuando los miembros del equipo de investigación analizaron muestras de orina obtenidas de voluntarios sanos, pudieron medir la dopamina en el rango clínico aprobado con este electrodo usando un método rentable en comparación con los estándar que se usan hoy en día, dijo Rao.

“En las etapas iniciales del proyecto, no imaginamos otras aplicaciones que la curcumina recubierta de oro pudiera soportar. Sin embargo, antes del final de los experimentos de oxidación del alcohol, estábamos bastante seguros de que otras aplicaciones son posibles”, dijo Ventrapragada. "Aunque no tenemos una comprensión completa de lo que sucede a nivel atómico, sabemos con certeza que la curcumina está estabilizando las nanopartículas de oro de una manera que puede prestarse a otras aplicaciones".

La revista Nano Energy publicó los hallazgos en un artículo titulado "Síntesis verde de un nuevo nanocompuesto poroso de oro y curcumina para la oxidación de alcohol supereficiente". Ventrapragada diseñó el experimento durante su trabajo de tesis en el laboratorio CNI de Rao. Después de la graduación de Ventraprada, el electrodo fue caracterizado y probado por el equipo de investigación SSSIHL de la India, que incluye a Sai Prasad Nayak, JK Kiran Kumar y Sai Sathish Ramamurthy.