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Las pilas son una tecnología muy conocida por la gente, donde ocurren las reacciones mostradas en la Figura 1. En una reacción un donador da electrones y en otra una sustancia los acepta, pero esto ocurre en cada polo de la pila. Una vez que reaccionaron todas las sustancias de la pila se agota y a comprar otra sea dicho.

Una posibilidad para evitar este problemas es usar una pila recargable o batería, donde al conectar  a la corriente eléctrica las reacciones inversas regresan a las sustancias iniciales. Las baterías son tan viejas como el telégrafo, donde este último está en museos y las baterías plomo ácido en millones de autos que circulan actualmente. Cabe mencionar que la reacción de donación de electrones por tradición se llama reacción de oxidación, entonces se esperaría que la reacción contraria se debiera llamar inoxidación, como el acero inoxidable; ¡pero no¡ se llama por tradición reacción de reducción. Como oxidación y reducción no son antónimas, el aprender este tipo de reacciones siempre es un buen ejercicio de malabarismo mental. Se ha intentado llamar reacciones de donación de electrones, electronación, etc, pero la tradición es tan fuerte que no se ha logrado.

¿Cómo podemos tener una continua generación de corriente eléctrica de una pila? Una estrategia sería suministrar continuamente los reactivos. Esto se experimentó a principios del siglo XX, administrando hidrógeno y aire a una pila.  Se pensaba que el hidrógeno (combustible) reacciona con el oxígeno (comburente) del aire, entonces tenemos una combustión y por ende una pila de combustión, que es otro palabra que usamos por tradición, pero que entorpece el conocimiento, debido a que ahora sabemos que en estas pilas no ocurre una combustión. Ahora surge la pregunta ¿cómo puedo tener una pila con muy pequeño peso y volumen? Una posible solución es usar un metal donde se aceleren las reacciones (catalizador), es decir, un metal que produzca más y que no se degrade, para no gastar mucho dinero. Investigadores alemanes alrededor de los años 1930s inventaron la palabra electrocatálisis para agrupar todos los esfuerzos alrededor de este fin. De los 1950s a los 1970s se realizó un esfuerzo heroico de evaluar todos los metales y materiales posibles para reacciones de pilas de alimentación continua de reactivos.

Fue el tiempo donde surgió el gráfico de la figura 2 y donde se descubrió que el Platino es material que más electricidad produce cuando reacciona con un gran número de sustancias. El gráfico 2 demuestra que el aumento de producción varía con el número de atómico de cada metal y el máximo está en los números 75 y el 78 que son los metales Renio y el Platino, respectivamente. Ambos materiales son de los más caros y escasos del mundo. Un observador curioso se preguntará ¿Por qué el renio no sigue la tendencia lineal? En la primera década del siglo XXI, esta pregunta fue uno de los tantos rompecabezas para los químicos teóricos, que son aquellos que usan gran poder de cómputo, para calcular las energías de los electrones dentro de los orbitales de los metales y aleaciones de formadas entre ellos.

Una vez realizados sus cálculos se puede predecir cómo reaccionan ante una molécula común de prueba, como el gas hidrógeno etc. Fue entonces donde decidimos volver a medir la actividad electrocatalítica o capacidad para reaccionar del Renio para el generar gas hidrógeno, con este metal sumergido en agua. Se obtuvieron datos experimentales que permiten dibujar nuevamente el gráfico de la Figura 3, donde el Renio sigue la tendencia lineal. Aquí nuestra ingenua esperanza es que los químicos teóricos gritan desesperados ¡parad el cómputo, a re-calcular!

Cabe mencionar que no creemos que los investigadores rusos de los 1950s midieran mal, sino que confundieron la superficie del metal donde se realiza la reacción con la superficie de un óxido de Renio, el cual es un conductor eléctrico como el platino, cobre etc. Este óxido es bastante inusual ya que los óxidos de metales semi-conducen o conducen muy poco la electricidad, de allí su nombre de semiconductores. Entonces podemos concluir que se cumple lo maravilloso de la tabla periódica, esto es, que las propiedades de los elementos, incluyendo su reactividad (capacidad para reaccionar) varían periódicamente. Esta observación la realizó por primera vez el premio Nobel de 1912 Paul Sabatier y un siglo después está siendo aplicado al campo de la electrocatálisis usando cálculos computacionales, donde se obtienen las energías de los electrones dentro de los orbitales de los átomos.

El tema de electrocatálisis se complica por el tamaño de las partículas de los metales (electrocatalizadores) y la forma de sus superficies, así que el principio de Sabatier es una guía no una ley. Hasta aquí relatamos nuestra pequeña contribución, que es un grano de arena en el basto mundo de la electrocatálisis, que a su vez forma parte fundamental del mundo de pilas de hidrógeno, metanol etc. Estas pilas están incluidas en los numerosos esfuerzos para mitigar el cambio climático. Por otra parte, una estrategia para mitigar dicho cambio, es disminuir el dióxido de carbono en la atmósfera. Qué tal si lo capturamos del aire y lo hacemos reaccionar para formar una sustancia útil. Una de las primeras sustancias que puede ser resultado de esta reacción es metanol, que puede usarse como parte de las gasolinas, las cuales para evitar una prematura combustión (octanaje) se preparan con aleaciones de Platino-Renio. ¿Será posible realizar estas reacciones de hidrocarburos en una celda electroquímica? Donde la celda electroquímica contiene metales altamente reactivos (electrocatalizadores) cuando se les suministra electricidad y están sumergidos en una disolución que contiene metanol. Nuestros resultados preliminares con materiales a precios competitivos indican que quizás sí, pero falta más trabajo para contestar plenamente la pregunta y comparar con aleaciones existentes de Platino-Renio.


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De andanzas entre pilas

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