Protocolo de Investigación Síntesis de nanopartículas de Fe-Ni por reducción con hongos, aplicadas en celdas de combustible de tipo microfluídicas

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS[pic 3][pic 4]

“Francisco García Salinas”

UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Protocolo de Investigación

Síntesis de nanopartículas de Fe-Ni por reducción con hongos, aplicadas en celdas de combustible de tipo microfluídicas.

Responsable técnico:

Gerardo Vega Amaya

Colaboradores:

Dr. Sergio Miguel Durón Torres

Dra. Ismailia Leilani Escalante García

Q.F.B. Beatriz Ivone Rojas de Soto

Q. F. B. Jairo Daniel Lozano López

M. en C. I. Julieta Nicté Pérez Viramontes

Zacatecas, Zac. 30 de octubre de 2018

Contenido

Introducción:        3

Antecedentes:        5

Justificación:        7

Hipótesis:        8

Objetivos:        8

Resultados Esperados y Metas del proyecto        8

Metodología Experimental.        9

Grupo de Trabajo e Infraestructura        10

Etapas y Actividades.        11

Cronograma        12

Referencias.        13

Protocolo de Investigación

Síntesis de nanopartículas de Fe-Ni por medio de reducción con hongos aplicadas en celdas de combustible de tipo microfluídicas.

Responsable técnico:

Gerardo Vega Amaya

Introducción:

Con la revolución industrial y la llegada de la máquina de vapor que utilizaba carbón mineral como combustible, el hombre se ha dado a la tarea de buscar más y mejores combustibles que sean de obtención fácil y de alto rendimiento. Desde la primera guerra mundial hemos vivido el auge de los combustibles fósiles utilizados en los motores de combustión interna 1, teniendo cada vez más demanda en el mercado internacional, tanto que hoy en día se ha generado una dependencia total del estos debido a que son parte de la vida diaria de millones de personas a lo largo del mundo, hablando simplemente de transporte.

Esta dependencia ha generado un factor que en la actualidad es uno de los problemas que más agobia a la sociedad, el calentamiento global 2. El uso de combustibles derivados del petróleo genera la liberación de una gran cantidad de gases de efecto invernadero y que día a día se producen debido a las necesidades que ha dejado el uso de los ya mencionados.

En la actualidad, se ha dado pauta a la búsqueda de fuentes de energía amigables con el medio ambiente y que resulten con mínimas o nulas emisiones de gases tóxicos, de manera tal que se logre mitigar el uso de gasolinas, diéseles y turbosinas. Es así como se ha abierto el paso para que los investigadores de todo el mundo se dediquen a crear, diseñar y mejorar dichas fuentes alternas, de tal manera que se ha invertido y logrado fuentes como la energía eólica y solar que han sido muy bien recibidas por el mercado tras años de investigación para el aprovechamiento de estas por ello se minimicen las deficiencias que estas poseen y que de cierta manera las vuelve no tan eficientes.  

Con la búsqueda de fuentes de energía alterna a los hidrocarburos en 1839 surge la primer celda de combustible por Robert Grove 3, que ha resultado un invento bastante interesante y de gran impacto para el mundo de los motores de combustión interna con la ventaja de que a diferencia de los combustibles fósiles, la celda de combustible no genera gases de efecto invernadero como CO, SOX y NOX 4entre otros, a los cuales se les atribuye el calentamiento global, uno de los problemas modernos que más agobia a la humanidad en la actualidad alrededor del mundo y que se debe remediar lo antes posible.

Las celdas de combustible son una de las mejores alternativas en cuanto a la demanda energética que hay en la actualidad 5 según la Electro Chemical Society, ya que se estima que para los años 2050’s se dé una crisis energética 6 debido a la escases de yacimientos petroleros. Por otra parte, se pronostica que dentro de 20 años se vuelva irreversible el daño causado al planeta debido a la contaminación.

En base a la información ya proporcionada, se continúa con la investigación de las celdas de combustible para incrementar su eficiencia, basándose en los puntos débiles de lo ya reportado desde la celda de Grove (Figura 1) que funcionaba administrando H2 y O2, obteniendo agua como residuo y la generación de energía eléctrica por procesos de óxido reducción 7. El inconveniente con el invento de Grove fueron los materiales empleados para el funcionamiento de la celda de combustible, debido a que empleaba Pt como catalizador. Pese a ser de gran eficiencia, el uso de la celda de combustible como medio de generación de energía no resultaba un gasto factible por el costo del Pt 8, uno de los metales preciosos más caros del mercado.

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Figura 1.- Celda de combustible de Grove 1839.

Los componentes principales de una celda de combustible son los electrodos (un ánodo y un cátodo), la membrana de intercambio y un circuito eléctrico externo (Figura 2) 9. En el compartimiento del ánodo se administra el combustible que será oxidado, los electrones producto de la oxidación viajan por el circuito eléctrico externo hasta el cátodo para reducir el oxidante, y a través de la membrana de intercambio migran los iones para completar la reacción.

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Figura 2.- Celda de combustible de H2/O2.

El punto débil de esta fuente de energía son los costos de producción, ya que no sólo se emplean catalizadores costosos como Pt, Au, Ir y Ru, sino que el hidrógeno como combustible representa costo y peligro por su alta inflamabilidad 3.

Antecedentes:

El uso de catalizadores en la industria ha sido de gran importancia para la producción eficiente 10 de diversos productos que son de gran demanda en el mercado. Sin embargo, los costos de obtención y preparación de catalizadores han sido uno de los puntos débiles de estos materiales, puesto que se ha encontrado que los metales nobles tales como Au y Pt poseen gran actividad catalítica, lo que ha dado paso en la investigación científica a la búsqueda de catalizadores de bajo costo y que posean igual o mayor eficiencia. Tal es el caso de las aleaciones de metales pesados como Fe, Co, Cu, Ni, Mo 11, entre otros, que presentan actividad 12 sobre diversos sustratos y el costo del material es menor que los metales nobles. Dentro de esta búsqueda, se requiere que un catalizador presente un área superficial tan grande como sea posible para así propiciar con mucha más eficiencia las reacciones de interés.

Referente al área superficial que debe cubrir un catalizador, ha sido necesario emplear partículas cada vez más pequeñas, incluso dentro del rango nanométrico con la finalidad de que se presente un mayor contacto entre los sitios activos y el sustrato. La metodología para obtención de nanopartículas por medio de sus precursores, puede representar factores de alto riesgo para el medio ambiente 13, de tal manera que se han buscado diferentes medios para su obtención como el empleo de técnicas ecológicas.

El uso de reductores naturales que generen desechos biodegradables y que posean una buena eficiencia para la producción de nanopartículas 14 puede minimizar el negativo impacto ambiental que generan los reductores químicos. Dentro de este enfoque, existen enzimas que se pueden encontrar en plantas, hongos y algunos desechos biológicos que tienen la capacidad de reducir compuestos inorgánicos en nanopartículas metálicas, por lo que una opción viable para la síntesis de nanopartículas es emplear hongos que segreguen enzimas reductasas 15, eliminando generación de residuos peligrosos.

El uso de hongos para producir nanopartículas se basa en la resistencia del mismo a los metales pesados 16, es decir, los hongos que crecen en espacios saturados con sales de metales pesados, producen y liberan al medio enzimas que reducen estas sales (o cualquier otro tipo de compuesto que contenga un metal pesado), dando como resultado la liberación de nanopartículas del determinado metal para evitar que cause daño al organismo del hongo y este a su vez, consume el anión del compuesto como nutriente, tal el caso del HAuCl4, en el cual se liberan nanopartículas de Au y el Cl se metaboliza en las funciones vitales del hongo.

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