Pilas de combustible de glucosa

Autores: [Ricardo Escudero Cid, Pilar Ocón-Universidad Autónoma de Madrid]

Hoy en día los biocombustibles son parte importante de los recursos renovables de nuestro entorno. Principalmente  se estudian como combustible directo para su uso en automóviles reduciendo las emisiones de gases contaminantes. La glucosa es la biomasa con mayor densidad de energía teórica, 4430 Wh kg^-1, similar a la que presenta el metanol, uno de los combustibles más utilizados en las pilas de membrana polimérica.

12C6H12O6glucosa+6O2→6CO2+6H2′>

La glucosa es renovable pudiéndose obtener de actividades agrícolas y de cultivos específicamente energéticos tales como el maíz u otras gramíneas. Otras cualidades importantes que presenta es el hecho de no ser tóxico ni inflamable, su bajo coste y su facilidad de manejo a diferencia de lo que ocurre con otros combustibles.

Debido a estas ventajas se empezaron a investigar pilas de combustible capaces de catalizar la electrooxidación de glucosa en el ánodo y conseguir energía reaccionando con el oxígeno del cátodo. Las primeras celdas de este tipo fueron las llamadas enzimáticas, que usan catalizadores enzimáticos para tratar la glucosa convirtiéndola en combustible útil para la pila. Este tipo de dispositivos alcanzan valores de voltaje a circuito abierto de 0,52 V y potencias de 0,43 mW cm^-2 usando glucosa oxidasa y laccase como catalizadores de la glucosa en el ánodo y del oxígeno en el cátodo respectivamente. Esta clase de pilas puede miniaturizarse y usarse en implantes, hay que tener en cuenta su baja potencia y corta durabilidad debido a la poca estabilidad que presentan las enzimas utilizadas.

A partir del problema de corta vida de estas pilas se estudian las pilas de combustible microbianas, más resistentes al envenenamiento y con menor pérdida de actividad. Como catalizador del ánodo se usan microorganismos como Shewanella putrefaciens o Escherichia coli obteniendo voltajes a circuito abierto de 0,664 V y potencias de 0,431 mW cm^-2. El mayor problema detectado de esta clase de pilas viene dado por la dificultad en el transporte de electrones desde los microorganismos al electrodo.

Los problemas que presentan los tipos de pilas mostrados anteriormente condujeron la investigación hacia el estudio de pilas de combustible de glucosa directa, utilizando membranas como electrolito y catalizadores metálicos. Las membranas utilizadas pueden ser de tipo ácido o básico dependiendo del tipo de iones a los que permitan el paso. Se ha encontrado que las cinéticas de reacción del oxígeno y la glucosa mejoran considerablemente en medio básico con respecto al medio ácido. Por otra parte, en el medio básico, la membrana de intercambio aniónica permite el paso de iones del cátodo al ánodo lo que a su vez frena el crossover que se produce del ánodo al cátodo lo que implica un aumento de la eficiencia y durabilidad de la pila. Además de esto, las membranas usadas en medio básico son mucho más baratas que las de Nafion^®, típicas de medio ácido.

En los primeros estudios que se realizaron con las pilas de glucosa directa se compara el medio ácido y básico, utilizando como catalizadores Pt y PtRu para ánodo y cátodo respectivamente. Los resultados obtenidos dejan de manifiesto el mejor comportamiento en medio básico alcanzando potencias de 20 mW cm^-2 a diferencia de los 1,5 mW cm^-2 alcanzados en las mismas condiciones en medio ácido. Estudios más recientes llevados a cabo tratan de sintetizar catalizadores con metales diferentes al platino, para reducir su coste e intentar abaratar todo el proceso. Uno de los catalizadores empleados para la oxidación de la glucosa es PdNi soportado sobre carbón y alimentado con una disolución 0,5 M de glucosa y 7 M de KOH obteniendo un voltaje a circuito abierto de 0,9 V y una potencia máxima de 38 mW cm^-2.

Las investigaciones siguen su curso aportando datos relevantes sobre todas las tecnologías. Se puede decir a priori que el aporte de la glucosa desde el punto de vista de la potencia no es crucial, pero el campo de posibilidades que abre es muy grande permitiendo un sinfín de nuevas aplicaciones de las pilas de combustible. El hecho de trabajar con un combustible fácil de obtener y manipular es, sin duda, una gran ventaja con respecto a los más conocidos como el hidrógeno o el metanol. Por otra parte, la glucosa se trata de una sustancia que tiene nuestro propio organismo abriendo la posibilidad de ser utilizado en el campo de la medicina y los biosensores.

 Más información.

L. An, T.S. Zhao. J. Power Sources 196 (2010) 186.

A.K. Sarma, P. Vatsyayan. Biosens. Bioelectron. 24 (2009) 2313.