Uso de pilas para producir peróxido de hidrógeno a partir del aire para aplicaciones industriales
"Este método es muy sostenible, de bajo coste y de gran eficiencia energética"
El peróxido de hidrógeno (H2O2) se utiliza ampliamente como blanqueador, desinfectante y agente oxidante, entre otras cosas. Sin embargo, la producción industrial de H2O2 es cara y consume mucha energía debido a los catalizadores de metales raros y preciosos que se utilizan en su fabricación. Investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) han desarrollado una estrategia alternativa de producción in situ de H2O2 que también puede degradar contaminantes industriales como los tintes tóxicos.
Esquema de funcionamiento de la pila de Zn-Aire y degradación del colorante
AJB lab, IISc
Los científicos han utilizado una pila de zinc-aire en la que la reducción del oxígeno genera H2O2. "El zinc es un elemento abundante e históricamente utilizado... es muy barato y abundante en la India", explica Aninda J Bhattacharyya, catedrático del Centro Interdisciplinario de Investigación Energética (ICER) y de la Unidad de Estado Sólido y Química Estructural (SSCU), y autor correspondiente del estudio publicado en Small Methods.
Una pila de metal-aire tiene un metal como el zinc como ánodo (electrodo negativo) y el aire ambiente como cátodo (electrodo positivo). Cuando la pila se descarga (libera energía), el oxígeno del aire ambiente se reduce en el cátodo, produciendo H2O2.
La reducción electroquímica del oxígeno procede por dos vías, una de las cuales forma H2O2. "La estrategia consiste en controlar el alcance de la reacción de reducción del oxígeno. Si no la controlas a cierto nivel, simplemente irá y formará agua", explica Bhattacharyya.
Este control puede lograrse utilizando catalizadores específicos. "Utilizamos un catalizador sin metales basado en carbono", explica Asutosh Behera, primer autor y estudiante de doctorado en la SSCU. Estos catalizadores baratos suelen conducir la reacción por la ruta que forma el agua, donde la selectividad hacia el H2O2 es menor. Sin embargo, la incorporación de ciertas modificaciones químicas en estos catalizadores, como la adición de grupos funcionales de oxígeno, dirige la selectividad de la reacción hacia la producción de H2O2.
Bhattacharyya explica que utilizar una pila para producir directamente H2O2 es un planteamiento novedoso. "No tienes que hacer otras cosas. Tienes una batería y la haces funcionar. Hemos reducido el voltaje para que sólo produzca H2O2".
Otra ventaja del uso de pilas es que producen o almacenan energía eléctrica además de reacciones químicas. "Lo que estamos haciendo es que, junto con la producción de H2O2, estamos almacenando energía porque tiene lugar dentro de la célula", añade Bhattacharyya.
El H2O2 generado debe detectarse, ya que es incoloro. Para ello se introduce un colorante, un contaminante tóxico producido por la industria textil. Cuando se crea el H2O2, reacciona con el tinte, degradándolo y cambiando su color. "El H2O2 generado se descompondrá a su vez en varios radicales (como hidróxido y superóxido) -especies orgánicas altamente brutas y reactivas- que acabarán degradando el tinte textil", explica Behera. Esta degradación ayuda a aumentar la eficacia de la producción de H2O2 y a eliminar el tinte tóxico.
"Hay que superar algunos retos fundamentales", señala Bhattacharyya. Por ejemplo, una pila de metal-aire tiene tres fases: sólida (zinc), líquida (electrolito) y gaseosa (aire). Esto hace que su manejo sea más difícil que el de la mayoría de las pilas que sólo tienen dos fases.
A pesar de estas dificultades, los investigadores creen que la estrategia es escalable y puede tener otras aplicaciones, como la generación de electricidad en lugares remotos. "Este método es muy sostenible, barato y muy eficiente desde el punto de vista energético", afirma Bhattacharyya.
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