La permeabilidad del grafeno al hidrógeno y las pilas de combustible

Dibujo20141128 graphene - hBN - monoatomic layers - nature

En 2008 se descubrió que el grafeno es impermeable al helio, pero no al hidrógeno. La permeabilidad al hidrógeno del grafeno y de capas monoatómicas de nitruro de boro hexagonal (hBN) no es buena, es excelente, como acaba de publicar en Nature el grupo de Sir André Geim, Premio Nobel de Física 2010. Quizás por ello algunos ya sueñan en futuras aplicaciones del grafeno en pilas de combustible. Y algunos titulares exageran sobre una revolución en energías verdes gracias al grafeno.

Nos lo cuenta Rohit N. Karnik, “Materials science: Breakthrough for protons,” Nature, AOP 26 Nov 2014, siendo el artículo técnico S. Hu et al., “Proton transport through one-atom-thick crystals,” Nature, AOP 26 Nov 2014; arXiv:1410.8724 [cond-mat.mtrl-sci]. El artículo que cito de 2008 es J. Scott Bunch et al., “Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets,” Nano Letters 8: 2458-2462, 2008.

Dibujo20141128 Hydrogen flow detection - monolayer graphene - nature14015-sf10

Quizás pienses, qué tontería, seguro que cualquier material monoatómico con una estructura hexagonal, similar a la del grafeno o del hBN, también será permeable al hidrógeno. Pues resulta que no es así. Lo más sorprendente del artículo de André Geim y sus colegas es que el disulfuro de molibdeno (MoS2) es muy poco permeable al hidrógeno. Más aún, el grafeno bicapa (dos capas monoatómicas de grafeno) también es impermeable al hidrógeno. ¿Cómo es posible?

Dibujo20141128 monoatomic mos2 electronic structure - nature

La explicación teórica requiere tener en cuenta la distribución de densidad de carga (electrones) en estos materiales. Tanto el grafeno monocapa como el hBN presentan “poros” que permiten el paso de los protones. Sin embargo, el grafeno multicapa, el hBN multicapa y el MoS2 monocapa no presentan dichos “poros” en la distribución de la densidad de los electrones. ¿Por qué existen estos “poros” electrónicos? Todavía no hay ningún modelo teórico que los explique en detalle (los físicos teóricos estarán muy contentos pues tienen carne en el asador).

Dibujo20141128 proton transport through 2D crystals in electrolytes - nature14015-sf5

La permeabilidad a los protones del grafeno y el hBN monocapas sigue una ley tipo Arrhenius (crece de forma exponencial) en función de la temperatura, aunque en el grafeno crece más rápido que en el hBN. Esta ley indica que el proceso requiere superar una barrera de energía. Para reducir dicha barrera e incrementar la permeabilidad se pueden recubrir el grafeno y el hBN con una capa discontinua de platino, que actúa como catalizador del paso de los iones de hidrógeno (de hecho se usa con tal función en las pilas de combustibles). Ligar una cosa con otra y proponer el uso del grafeno para las membranas de las pilas de combustible es de cajón. La gran ventaja en esta aplicación del grafeno y del hBN es su gran estabilidad con la temperatura (en oxígeno el grafeno monoatómico es estable hasta 400 °C y los nanotubos de hBN en aire son estables hasta 700 °C).

Dibujo20141128 Proton transport through 2D crystals - nature14015-f1

En el desarrollo de pilas de combustible me atrevo a conjeturar que el hBN es mucho más útil que el grafeno. La gran ventaja del hBN es su baja conductividad a la electricidad, comparado con el grafeno, lo que permitiría desarrollar células de combustible ultrafinas (el desarrollo de electrodos adecuados para el grafeno en este contexto parece más complicado). Por ello los titulares que hablan de prometedoras pilas de combustible basadas en grafeno, quizás deberían hablar de pilas de combustible basadas en el nitruro de boro monoatómico.

Dibujo20141128 Current-controlled hydrogen flux - nature14015-f3

La verdad es que el grupo del Nobel, e IgNobel, André Geim no para de sorprendernos.

2 Comentarios

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Jose Milciades DiazJose Milciades Diaz

Soy nuevo en el campo, llegué a su artículo por mi deseo de conocer algo sobre las promisorias propiedades del Grafafeno. Me gustó mucho su exposición, usted ya tiene el arte de hacer fácil lo difícil, FELICITACIONES.

ScilaScila

El mismo equipo ha anunciado unas pilas con esta capa de grafeno que se “recargan solas con el aire”…
¿Alguna opinión al respecto Francis?

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