Las burbujas más pequeñas posibles
Un equipo de investigación pudo encontrar una solución para un problema que afecta a un montón de procesos industriales.
La obtención de distintos materiales, la producción de fertilizantes, el recubrimiento con metales, la generación de hidrógeno y otros gases…la lista es gigante. Son todos procesos que tienen algo en común: el uso de la electricidad para provocar una reacción química que va a generar algún producto. O sea, estamos hablando de electroquímica.
De un lado el electrodo positivo, del otro lado el electrodo negativo y, entre ellos, alguna solución acuosa que conduce la electricidad. Tenemos armada una celda electroquímica. Si ahora hacemos pasar una corriente eléctrica a través de esa solución acuosa, las sustancias con carga positiva se irán hacia el polo negativo, y viceversa.
Así, por ejemplo, si se quiere recubrir con níquel (niquelar) algún objeto, se puede poner una solución de cloruro de níquel en la celda electroquímica y colocar el objeto a recubrir en el electrodo negativo. Si se hace pasar corriente, el níquel, que es positivo, se dirigirá al polo negativo y reaccionará químicamente con el material del objeto hasta recubrirlo.
En el proceso electroquímico se pueden formar burbujas que se van uniendo y haciéndose cada vez más grandes hasta bloquear el área activa del electrodo.
De igual manera, se puede hacer pasar corriente por una celda electroquímica para separar el hidrógeno y el oxígeno de la molécula de agua y obtener esos gases puros.
Los ejemplos de procesos electroquímicos aprovechados industrialmente son incontables. El problema que suelen acarrear estos procesos es que una gran parte de ellos conllevan la producción de algún gas, sea como producto deseado -como es el caso de la producción de hidrógeno como combustible- o como subproducto de la reacción. Y ese gas se puede pegar al electrodo donde está ocurriendo la reacción química y formar burbujas que se van uniendo y haciéndose cada vez más grandes hasta bloquear el área activa del electrodo. Este fenómeno obstaculiza el paso de la corriente y, por lo tanto, afecta la velocidad de la reacción química que se quiere lograr.
En las últimas décadas, se apeló a la miniaturización de los electrodos como estrategia para inhibir la formación de burbujas y revertir este efecto. Actualmente, se experimenta con electrodos que tienen tamaños del orden de los nanómetros, es decir, que miden unos pocos átomos de diámetro. No obstante, los experimentos indican que a esas escalas nanométricas se forman nanoburbujas que se adhieren a los nanoelectrodos limitando la circulación de la corriente eléctrica.
“Los experimentos permiten ver una parte de lo que está pasando, pero no todo. Pueden medir algunas cosas, como la corriente, pero en la nanoescala es difícil tener una imagen de lo que está pasando en la solución en la que está ocurriendo la reacción electroquímica”, explica Damian Scherlis, investigador del CONICET en el Instituto de Química, Fisica de los Materiales, Medioambiente y Energía (INQUIMAE, UBA-CONICET). “Por eso decidimos tratar de encontrar una interpretación a lo que se ve en los experimentos mediante simulaciones moleculares”.
Si el electrodo es menor a los dos nanómetros, el gas que se forme no tendrá una plataforma del tamaño suficiente como para “adherirse” y conformar una burbuja.
Fue así que, en una computadora y utilizando algoritmos especialmente diseñados para ello, simularon reacciones electroquímicas. Durante los “simulacros”, iban cambiando el tamaño de los electrodos, los potenciales eléctricos y otras variables y veían lo que pasaba.
“El principal resultado de este trabajo es que encontramos que hay un límite a partir del cual una fase gaseosa sobre una superficie ya no es más estable. Y ese límite son los 2 nanómetros”, revela Scherlis, que también es profesor en Exactas UBA.
Damian Scherlis: Foto Diana Martinez Llaser
En otras palabras, si la superficie del electrodo es menor a los dos nanómetros, el gas que se forme no tendrá una plataforma del tamaño suficiente como para “adherirse” y conformar una burbuja. O sea, no hay burbujas por debajo de los dos nanómetros.
“Nuestras simulaciones muestran que con electrodos de entre cero y tres nanómetros la eficiencia de la reacción aumenta de manera lineal y que, a partir de los tres nanómetros en adelante no aumenta más. Por eso, lo ideal sería trabajar con electrodos ligeramente menores a los 3 nanómetros”.
-¿Se podrían generalizar estas observaciones para cualquier gas?
– Sí, nosotros lo hicimos con dos modelos de gas, uno que representaba al metano y otro al hidrógeno, pero sí, es un resultado general para cualquier reacción electroquímica que libera gas. De hecho, hay muchos tipos de reacciones electroquímicas que involucran gases y que se podrían beneficiar con la información que estamos publicando.
El trabajo fue publicado en la revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences con el título The smallest electrochemical bubbles y lleva la firma de Esteban Gadea, Yamila Perez Sirkin, Valeria Molinero y Damian Scherlis.
