Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

En el mundo de la energía, la búsqueda de cómo convertir el oxígeno del aire en electricidad es un desafío central. Este proceso, conocido como la reacción de reducción de oxígeno, es el corazón de las celdas de combustible, dispositivos que podrían alimentar desde coches hasta hogares sin contaminación. Sin embargo, hacer que esta reacción ocurra de manera eficiente suele requerir metales costosos como el platino. Los científicos han buscado durante mucho tiempo materiales más baratos y abundantes que puedan realizar el mismo trabajo. Un candidato prometedor es el grafeno, una lámina de carbono tan delgada que tiene solo un átomo de espesor. Si bien el grafeno conduce la electricidad maravillosamente, es difícil que se adhiera a una superficie de una manera útil, y a menudo necesita ayuda para convertirse en un catalizador. Para resolver esto, los investigadores han recurrido a las monocapas autoensambladas, que son capas únicas de moléculas que se alinean automáticamente sobre una superficie como baldosas en un suelo. Al combinar estas baldosas moleculares con el grafeno, los científicos esperan crear una plataforma estable y conductora que pueda albergar otras moléculas para acelerar la reacción.

Un investigador en Chile ha construido recientemente tal sistema, creando un nuevo tipo de electrodo que superpone estos materiales con precisión. Comenzó con una superficie de oro lisa y la recubrió con una sola capa de 4-MBT, una molécula que actúa como un espaciador molecular. Sobre esta capa, colocó hojas de óxido de grafeno reducido químicamente, una forma de grafeno que ha sido tratada para eliminar el oxígeno y restaurar su capacidad de conducir electricidad. El grafeno no se adhirió al oro directamente; en su lugar, se asentó sobre los extremos hidrofóbicos, o repelentes al agua, de la capa del espaciador molecular. Esto creó una estructura similar a un sándwich donde el oro estaba separado del grafio por una fina película orgánica. El investigador luego añadió ftalocianina de hierro, una molécula que contiene hierro y que es conocida por ayudar a descomponer el oxígeno, sobre las hojas de grafeno. Descubrieron que este arreglo específico permitía que las moléculas de hierro se asentaran de forma segura sobre el grafeno, creando una superficie que era mucho mejor reduciendo el oxígeno que intentos previos.

Para entender qué tan bien funcionó esta nueva estructura, el investigador realizó una serie de pruebas. Primero, verificó qué tan fácilmente podía moverse la electricidad a través de las capas. Cuando colocó el grafeno sobre el espaciador molecular, la resistencia eléctrica disminuyó significativamente en comparación con el espaciador solo. Esto demostró que las hojas de grafeno estaban uniendo con éxito el espacio, permitiendo que los electrones fluyeran libremente entre la base de oro y el mundo exterior. Utilizando un microscopio especializado que mide la corriente eléctrica a escala nanométrica, observaron que el grafeno formaba islas distintas y altamente conductoras a través de la superficie. Estas islas no eran perfectamente planas; el microscopio reveló que las hojas de grafeno estaban plegadas y apiladas en algunos lugares, creando un paisaje rugoso y texturizado. Esta textura es importante porque los bordes y pliegues del grafeno son a menudo donde ocurren las reacciones químicas más activas.

El investigador luego examinó la estructura del propio grafeno utilizando técnicas basadas en la luz. El análisis mostró que el material estaba lleno de diminutos defectos e irregularidades en su red de carbono. En lugar de ser un fallo, estas imperfecciones son en realidad beneficiosas para esta aplicación, ya que proporcionan más puntos para que ocurran las reacciones químicas. Cuando añadieron las moléculas que contienen hierro a esta superficie de grafeno, las pruebas confirmaron que las moléculas se habían adherido de forma segura. Se encontró que los átomos de hierro estaban en el estado químico correcto para actuar como catalizador, y los átomos de nitrógeno dentro de las moléculas estaban posicionados adecuadamente para interactuar con el grafeno.

Finalmente, el investigador probó la capacidad del sistema para reducir el oxígeno en una solución acuosa básica. Los resultados fueron impactantes. El nuevo electrodo, con su base de oro, espaciador molecular, capa de grafeno y catalizador de hierro, comenzó el proceso de reducción de oxígeno a un voltaje mucho mayor que un electrodo de control que tenía el catalizador de hierro colocado directamente sobre el oro. Este cambio significó que el nuevo sistema requería menos energía para iniciar la reacción. Además, el nuevo electrodo produjo una corriente eléctrica mucho más fuerte, lo que indica que estaba convirtiendo el oxígeno en agua de manera mucho más eficiente. Los datos sugirieron que la reacción procedía a través de una vía de cuatro electrones, que es la forma más eficiente de convertir el oxígeno en agua, evitando la producción de subproductos nocivos. El estudio concluye que este enfoque de capas no cambia la forma fundamental en que funciona la reacción, sino que hace que el proceso ocurra de manera mucho más rápida y fácil. Al usar el grafeno para restaurar la conexión eléctrica y proporcionar un hogar estable para el catalizador, el investigador ha creado una plataforma más efectiva para la futura tecnología de celdas de combustible.