Energías Renovables Biológicas-Hidrógeno-Pilas de Combustible Libros de Ciencia y Tecnología N° 1 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (Editor), México, 2008 ISBN 978-968-5441-11-7 Héctor M. Poggi-Varaldo (CINVESTAV), Alfonso Martínez Reyes (TESE), José A. Pineda-Cruz (TESE), Sergio Caffarel-Méndez (TESE), Coeditores TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC “2008. Año del Padre de la Patria, Miguel Hidalgo y Costilla” LIBROS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA N° 1 ISBN 978-968-5441-11-7 ENERGÍAS RENOVABLES BIOLÓGICAS- HIDRÓGENO-PILAS DE COMBUSTIBLE Primera Edición Omar Solorza-Feria (1), Elvira Ríos-Leal (2), y Héctor M. Poggi-Varaldo (2), Compiladores (1) CINVESTAV del IPN, Depto. de Química, México D.F., México. Correl: [email protected](2) CINVESTAV del IPN, Depto. de Biotecnología y Bioingeniería, México D.F., México. Correls: [email protected], [email protected]Ecatepec de Morelos, Estado de México México. Año 2008
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Energías Renovables Biológicas-Hidrógeno-Pilas de Combustible
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Energías Renovables Biológicas-Hidrógeno-Pilas de Combustible
Libros de Ciencia y Tecnología N° 1 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec
(Editor), México, 2008 ISBN 978-968-5441-11-7
Héctor M. Poggi-Varaldo (CINVESTAV), Alfonso Martínez Reyes (TESE), José A. Pineda-Cruz (TESE), Sergio Caffarel-Méndez (TESE), Coeditores
TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC
“2008. Año del Padre de la Patria, Miguel Hidalgo y Costilla”
LIBROS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA N° 1 ISBN 978-968-5441-11-7
ENERGÍAS RENOVABLES BIOLÓGICAS- HIDRÓGENO-PILAS DE COMBUSTIBLE
Primera Edición
Omar Solorza-Feria (1), Elvira Ríos-Leal (2), y Héctor M. Poggi-Varaldo (2), Compiladores
(1) CINVESTAV del IPN, Depto. de Química, México D.F., México. Correl: [email protected]
Conferencia Plenaria: Membranas Poliméricas para Pilas de Combustible
PEM. J.F. Fernández-Carretero, V. Compañ, E. Riande. 21
Diseño y Construcción de un Go-Kart Híbrido Pila de Combustible
PEM/ Batería Recargable. K. Suárez-Alcántara, A. Rodríguez-Castellanos,
O. Solorza-Feria. 73
Estudio Electroquímico de Paladio Nanoestructurado para la Reacción
de Reducción de Oxígeno en H2SO4. José J. Salvador Pascual,
S. Citalán Cigarroa, O. Solorza-Feria. 86
Actividad Catalítica del PdNi para la Reacción de Reducción de Oxígeno
en MedioÁcido. Guadalupe Ramos-Sánchez, O. Solorza-Feria 98
Síntesis y Caracterización de Nanopartículas de Pt y Pt-Au como
Electrodos para PEMFC. B. Ruiz Camacho, M. Torres Rodríguez,
O. Solorza-Feria 109
Redes de Investigación: Una Nueva Forma de Hacer Ciencia.
Rosa G. González Huerta 122
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Héctor M. Poggi-Varaldo (CINVESTAV), Alfonso Martínez Reyes (TESE), José A. Pineda-Cruz (TESE), Sergio Caffarel-Méndez (TESE), Coeditores
Energía Renovable de Tipo Biológico H2 y CH4 y Energía Eléctrica Directa
a partir de Residuos Orgánicos: Contribución al Desarrollo Sustentable de
México. Héctor M. Poggi-Varaldo 135
Avance y Perspectivas de los Procesos Biológicos Fermentativos para la
Obtención de H2 de Residuos Sólidos Municipales e Industriales. Karla
María Muñoz-Páez y Héctor M. Poggi-Varaldo. 146
Energía Eléctrica Directa de Residuales Líquidos Orgánicos Utilizando Pilas
de Combustible Microbianas: Avances y Perspectivas. Alessandro Alfredo
Carmona-Martínez, Héctor M. Poggi-Varaldo, Omar Solorza-Feria. 164
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1Libros de Ciencia y Tecnología N° 1
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ISBN 978-968-5441-11-7 Héctor M. Poggi-Varaldo (CINVESTAV), Alfonso Martínez Reyes (TESE), José A. Pineda-Cruz
(TESE), Sergio Caffarel-Méndez (TESE), Coeditores
Energías Renovables Biológicas – Hidrógeno – Pilas de combustible
Omar Solorza-Feria, Elvira Ríos-Leal, Héctor M. Poggi-Varaldo
Prólogo
Los daños a la salud y al medio ambiente se acentúan día a día en la ciudad de
México y esta se debe a la contaminación atmosférica, por la generación de energía en
los procesos industriales de transformación y en el autotransporte. Pocas personas
reflexionan de cual es la fuente del suministro de nuestra energía eléctrica, a menos
que este suministro de energía se vea interrumpido. El encender un foco en nuestro
hogar o el conectar una computadora portátil o un proyector multimedia, es la etapa
final de una serie de actividades que incluye la extracción del combustible fósil, petróleo
o gas natural, el transportar el combustible crudo a alguna refinería para transformarlo
en diferentes compuestos químicos, del cual una parte será transportado a las plantas
generadoras de electricidad, donde la energía química del combustible será
transformado a energía térmica; esta a energía mecánica y finalmente a energía
eléctrica. La electricidad es transportada por cables conductores hasta nuestros
hogares o nuestra oficina, siendo nosotros los consumidores finales los que lo
utilizamos para nuestra iluminación, donde la energía eléctrica es transformada en
energía luminosa. La energía eléctrica en la mayoría de los casos no se puede
almacenar, o se utiliza en el instante o se pierde. Requerimos de un sistema de
respaldo eléctrico para mantenernos activos en nuestro quehacer cotidiano. Además de
la contaminación por estas actividades, los combustibles fósiles son no renovables y por
un periodo no mayor de 10 años en México y 50 años a nivel mundial, se acabarán.
El hidrógeno es la energía química renovable que podemos almacenar y
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transformar a energía eléctrica dónde y cuándo sea necesario. El hidrógeno posee el
potencial para convertirse en un componente clave de los sistemas energéticos
sostenibles y renovables del futuro. El hidrógeno y las pilas de combustible jugarán un
papel importante en la economía de la energía global en este siglo, por lo que muchos
gobiernos han asignado fondos cuantiosos para investigación, desarrollo y
demostración de la utilización del hidrógeno. Se han creado programas y condiciones
probables para soportar su utilización en la generación de energía de pilas de
combustible, para ser utilizado como sistemas de respaldo en dispositivos electrónicos
de transmisión, recepción y proyección de datos e imágenes.
La generación de H2 por métodos biológicos ha ganado reconocimiento como
una contribución sustentable para la obtención de este portador energético. En México,
se genera más de 50 000 ton/d de residuos sólidos urbanos y 400 000 ton/d de
residuos sólidos industriales. De acuerdo con nuestro enfoque, el tema de la gestión de
la basura cambia de paradigma y se convierte de “problema” costoso y fastidioso en
una fuente de recursos primarios y secundarios, es decir, en una verdadera
“biorrefinería” generadora de recursos, donde los residuos orgánicos son una materia
prima prácticamente gratuita e inextinguible.
Los productos de una biorrefinería de este tipo son: energías de tipo biológico
como hidrógeno y metano que se pueden convertir fácilmente a energía eléctrica,
energía eléctrica directa con pilas de combustible microbianas, ácidos orgánicos y
solventes (ácido acético, propiónico, butírico, valérico, acetona, butanol) para materias
primas de la industria química, fertilizantes y eventualmente ingredientes para
alimentación animal. El núcleo de una biorrefinería de nuevo tipo es la fermentación
hidrogenogénica en sustrato sólido. Ésta genera una gran cantidad de metabolitos
orgánicos (ácidos orgánicos y solventes de bajo peso molecular, mayoritariamente) que
están presentes en los sólidos gastados o de purga del proceso, y que en principio
pueden aprovecharse para aumentar el rendimiento energético de las basuras. El H2
generado en estos procesos, después de su concentración y purificación, es candidato
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ideal para alimentar las pilas de combustible que convierten directamente y con altas
eficiencias el H2 en energía eléctrica.
También, en la punta de la investigación y desarrollo se encuentra la novedosa
interfaz entre Electroquímica y Biotecnología, consistente en las pilas de combustible
microbianas. Si bien esta investigación está en sus inicios, el potencial de convertir
directamente residuales orgánicos a energía eléctrica la hacen sumamente atractiva.
El simposio se desarrolló tomando como marco de referencia los trabajos de
investigación que desarrollan estudiantes de dos diferentes programas de posgrado,
donde el aprovechamiento de los recursos renovables biológicas son importantes para
la generación de energía eléctrica. Los estudiantes del grupo de electroquímica del
Departamento de Química, presentaron sus avances de tesis en la síntesis y
caracterización de nuevos materiales catalíticos para ser utilizados en pilas de
combustible. Nuevos materiales con Ru y Pd como centros activos, fueron descritos
como candidatos potenciales como electrodos para la reacción de oxígeno en pilas de
combustible con membranas poliméricas. Un panorama global de los avances
recientes en membranas poliméricas para pilas de combustible, fue presentado por
nuestro conferencista invitado Profesor Vicente Compañ Moreno, investigador de la
Universidad Politécnica de Valencia, España. La conferencia plenaria también
contempló la caracterización de los factores más influyentes e importantes que
mantienen a una pila de combustible con un funcionamiento óptimo, así como la
determinación de la conductividad y el transporte de agua en la membrana polimérica y
la modelización y estudios de simulación que relacionan la conductividad protónica con
el transporte de agua. El ensamblado de los catalizadores con las membranas
poliméricas forma el corazón de las pilas de combustible y los resultados de la
preparación y caracterización de los ensambles se mostró en un arreglo o stack
instalado en un Go-Kart, diseñado y construido en las instalaciones del CINVESTAV. La
fotografía muestra el medio de transporte y la estudiante involucrada.
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Las perspectivas en el uso del hidrógeno generado por procesos electroquímicos y
biorrefinerías para pilas de combustible de baja potencia, son amplias y podrán ser
instaladas en sillas de ruedas con control eléctrico para hospitales; equipo de respaldo
eléctrico para computadoras, material multimedia, equipos de transmisión, etc.
Por primera vez en una institución de educación superior mexicana, se realiza la
coordinación y síntesis de los esfuerzos para la conversión eficiente de H2 en energía
eléctrica atacando las diversas vertientes mencionadas previamente. El Simposio
Energías Renovables Biológicas – Hidrógeno – Pilas de combustible, es la primera
manifestación institucional para dar a conocer esos esfuerzos. Durante la realización del
simposio se registraron 167 asistentes, provenientes de diferentes instituciones
educativas y de investigación del Distrito Federal, área metropolitana y del interior del
país. Agradecemos el apoyo recibido del CINVESTAV y del Instituto de Ciencia y
Tecnología del Distrito Federal por la difusión y realización de este simposio.
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Los organizadores del Simposio agradecen a la Ing. Karla María Muñoz-Páez del Grupo de Biotecnología Ambiental y Energías Renovables del CINVESTAV y al Dr. Sergio Caffarel-Méndez del Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (TESE) su generosa contribución a la edición de este libro.
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Energía del Sol al Vocho
Omar Solorza Feria
Departamento de Química, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN.
Figura 25. Diagrama de Bide a la temperatura de 80ºC y un grado de humedad relativa
del 100%RH para las membranas Nafion 117 y Nafion 117 con las cargas. Además se
representa el ángulo de fase frente a la frecuencia.
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Los valores de R0 obtenidos por ambos métodos y las conductividades obtenidas
para diferentes temperaturas están dados en la tabla 6. Se puede apreciar que el valor
de la conductividad de la membrana SEBS es ligeramente mayor que los valores
reportados para la membrana Nafion a la misma temperatura, que oscila ente 1-7 S/m 20,21,22.
En la Tabla 6 se muestran las conductividades medidas. Los valores medidos de
conductividad son superiores a los del Nafion. Puede observarse que son las
membranas con SBA-15 las que presentan valores más altos de conductividad.
Tabla 6. Conductividad a 80ºC y 100% de humedad relativa
Membrana (S/cm)
Nafion 1,25E-02
Nafion-SIL 2,80E-02
Nafion-SBA 6,95E-02
Nafion-SEP 3,70E-02
SEBSs 4,65E-02
SEBS-SIL 3,47E-02
SEBS-SBA 7,12E-02
SEBS-SEP 3,60E-02
Además, se ha medido la conductividad en corriente continua de las membranas
híbridas de SEBS utilizando el método de las 4 puntas. Los ensayos se han realizado a
25ºC variando el grado de humedad. En la figura 26 se muestran los resultados para las
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20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14 SEBS-SIL SEBS-SBA SEBS-SEP
σ (S
/cm
)
RH (%)
Figura 26. Variación de la conductividad con el grado de humedad para las membranas
SEBS con las cargas
membranas obtenidas a partir del polímero SEBS con las cargas. Puede observarse
como aumenta la conductividad a medida que aumenta el grado de humedad.
5. CONCLUSIONES
Como hemos visto en este trabajo hemos presentado un estudio de las diferentes
membranas de intercambio iónico que se están utilizando como separadores de ánodo
y cátodo en pilas de combustible del tipo PEM. Además se ha presentado la síntesis y
preparación de nuevas membranas híbridas de diferentes polímeros Nafion 117 y SEBS
sulfonados con el fin de comparar los resultados obtenidos en sus caracterizaciones.
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Estas han sido efectuadas en cuanto a la capacidad de intercambio, grado de
sulfonación, contenido de agua, comportamiento mecánico, estudios en cuanto a las
diferencias en estabilidad térmica, mecánica y química, determinación de
conductividades y transporte de protones.
De los resultados obtenidos se desprende que la incorporación de los sólidos
organofuncionalizados mejora la conductividad de las membranas, por otro lado
también mejora el comportamiento térmico y mecánico la incorporación de las cargas
sobre todo en las membranas preparadas a partir del polímero SEBS. Si bien son las
muestras con SBA-15 las que mejores conductividades tienen, los valores obtenidos
para las otras membranas hacen presagiar su idoneidad como membranas de
intercambio iónico de cara a su uso en pilas de combustible. No obstante serán, los
análisis de permeación al metanol y los estudios de la conductividad a temperaturas
superiores a 100 ºC y en función del % de RH (o contenido de agua) lo que nos dará
una idea clara para la construcción de MEA’s de buen rendimiento en el uso de FC.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia a través del
proyecto MAT2005-05648-C02-02, por el IMPIVA a través del proyecto IMCITA/030 y
por la Generalitat Valenciana a través de fondos FEDER. Los autores también quieren
agradecer al Grupo de Materiales Compuestos y Electroactivos (ICTP), al Instituto de
Tecnología Eléctrica y al Centro de Biomateriales de la Universidad Politécnica de
Valencia (UPV), la ayuda prestada.
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GO-KART HÍBRIDO PILA DE COMBUSTIBLE PEM / BATERIA RECARGABLE
K. Suárez-Alcántara, A. Rodríguez Castellanos, O. Solorza-Feria*
Departamento de Química, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN,
Apdo. Postal 14-740, 07000 México D.F., México. Correls: [email protected],
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material catalyst were characterized by XRD, SEM, and AFM. The structural study by X-
ray diffraction (XRD) evidence the formation of nanocrystalline fcc hexagonal palladium
with 4 nm in an average size. The catalytical activity for the oxygen reduction reaction,
ORR, was examined from studies of cyclic voltammetry and well-defined mass transport
conditions on rotating-disk electrode measurements in a 0.5 M H2SO4. Kinetic results
suggest the initial electron transfer to the adsorbed oxygen is the rate-determining step
of the cathode reaction. An apparent energy of activation was
calculated from electrochemical results at different temperatures. Based on current
densities and the enthalpy of activation, the nanosized Pd catalyst is significantly less
active for the ORR than nanostructured Pt and Ru electrocatalysts.
1# 5.05.89 −±=Δ MolkJE
INTRODUCCIÓN
Los problemas ambientales a los que
se enfrenta la sociedad del siglo XXI,
ha generado una gran preocupación
por encontrar fuentes alternativas de
generación de energía limpia. Una de
estas posibles alternativas es la
conversión directa de la energía
química almacenada en los
combustibles en energía eléctrica,
mediante dispositivos conocidos como
celdas o pilas de combustible. Existen varios tipos de pilas de combustible, de entre las
cuales, la de membrana de conducción protónico, PEMFC, presenta las mayores
ventajas (alta eficiencia, alta densidad de potencia y baja temperatura de operación), lo
que las hace mas adecuadas para aplicaciones móviles (Solorza-Feria y Durón, 2002;
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Funes, 2000; Kinoshita, 1992 y 1998). Además solo se produce agua y calor como
resultado de la reacción electroquímica al operar la pila con hidrógeno como
combustible y oxígeno como oxidante. La ventaja adicional que presentan las pilas de
combustible tipo PEMFC es que su funcionamiento no esta regido por el ciclo de
Carnot, por lo que pueden alcanzar eficiencias de trabajo muy altas incluso alrededor
del 70%; Esta es una de las mayores razones por la que las industrias automotrices
invierten muchos recursos económicos en la investigación de esta nueva tecnología.
En las pilas de combustible la reacción de reducción de oxígeno, RRO, juega un
papel determinante, al ser alrededor de 5 órdenes de magnitud más lenta que la
reacción de oxidación de hidrógeno, por lo que es la reacción limitante en el proceso
global. Para que la reacción de reducción de oxígeno se lleve acabo a una velocidad
adecuada en una pila de combustible que opera a temperaturas alrededor de los 100°C,
es necesaria la utilización de electrocatalizadores muy eficientes. El más utilizado ha
sido el platino, pero su alto costo derivado de su poca abundancia, ha generado la
búsqueda de nuevos catalizadores activos de mayor disponibilidad.
En la actualidad la búsqueda de nuevos electrocatalizadores esta encaminada
hacia aquellos que presenten una mayor estabilidad, sobre los que presentan un mayor
desempeño. Esto se debe a que en algunas ocasiones se pueden obtener catalizadores
que presenten un mayor desempeño que otros, pero que solo funcionan por algunas
horas, debido al envenenamiento que sufren por impurezas del combustible o a otros
factores como la disolución, rompimiento de enlaces, etc.
En las investigaciones realizadas para encontrar nuevos electrocatalizadores
para la RRO en medio ácido, llama la atención la utilización de los metales de transición
y algunos de sus compuestos o aleaciones. En este trabajo se pone especial énfasis en
la síntesis de partículas de paladio, debido al hecho de que el paladio es más barato
que el platino, por lo que es conveniente desarrollar catalizadores que lo contengan
como material activo. Aunado a lo anterior se tienen reportes de Suryanarayanan,
Prabhuram y Veisz, estableciendo la posibilidad de sintetizar catalizadores de tamaño
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nanométrico a partir de sus sales metálicas; situación importante considerando que con
partículas más pequeñas se logra tener una mayor área catalítica, lo que representa un
aumento en el desempeño del material electrocatalítico.
CONDICIONES EXPERIMENTALES
Preparación del electrocatalizador Las nanopartículas de Pd fueron preparados por la reducción de 0.86 mM PdCl2
disueltos en 100 ml de THF (previamente seco), en una atmósfera inerte. A la solución
a 0° C, se adiciona 1.03 mM NaBH4 manteniendo una agitación constante y una
atmósfera de nitrógeno por 16 h. Posteriormente, el producto obtenido fue lavado en
varias ocasiones con agua destilada, con el fin de eliminar el cloruro de sodio producido
en la reacción. El polvo fue filtrado, lavado con éter etílico y secado a vació a 298 K por
2 horas. El producto fue obtenido con 96 % de rendimiento.
Caracterización Física La morfología de las partículas fue determinada por microscopía electrónica de
barrido con un microscopio FEI Sirion XL30, operado a 20 kV. Las fases presentes en el
catalizador sintetizado fueron determinadas por difracción de rayos X de polvos, en un
difractómetro D500 (Siemens) con una radiación de CuKα (α = 1.789007 nm), en un
rango de 30-90° 2θ, con un paso de 0.02°. Las imágenes de Fuerza Atómica, AF,
fueron obtenidas en un microscopio de barrido por sonda JEOL Mod. JSPM-4210, con
una frecuencia de resonancia de 150 kHz y un cantilever de silicio ultra fino NSC 12.
Caracterización electroquímica Los estudios electroquímicos fueron realizados en una solución de H2SO4 0.5 M,
en un intervalo de temperaturas de 30-80º en una celda electroquímica de doble
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compartimiento. El electrodo de referencia usado fue de Hg./Hg2SO4/0.5M H2SO4
(MSE=0.65 V/NHE) el cual se sitúa fuera y conectado a la celda electroquímica por un
capilar de porcelana Lugging, con el fin de mantener este electrodo a temperatura
ambiente. Todos los potenciales fueron referidos a el Electrodo Normal de Hidrogeno
(NHE). Se usó un potenciostato-galvanostato EG&G, Princeton Applied Research
(PARC mod 273A) para realizar las medidas electroquímicas. El electrodo de trabajo
fue de carbón vítreo con diámetro de 0.7 cm, el cual fue preparado de acuerdo al
método reportado por A. J. Bard; González-Huerta et al., la película depositada sobre el
electrodo fue preparada por la adición de 10 µL de suspensión de una mezcla de 75 µL
de alcohol y 5 µL de Nafion (5 wt. %, Du Pont, 1000EW) y 0.8 mg de Pd (10 wt. %). La
cantidad estimada de catalizador sobre la superficie de catalizador de carbón vítreo fue
de aproximadamente 1 mg cm-2. Los experimentos de EDR fueron realizados en un
rango de velocidades de rotación de 100 -1600 rpm a 5 mV s-1. Durante el desarrollo de
estos experimentos se mantuvo un flujo constante de oxígeno sobre la superficie del
electrodo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización Física La figura 1 muestra el difractograma de rayos-X, XRD, obtenido de polvo de
paladio tal y como fue sintetizado. En esta figura se observan 5 picos de difracción
identificados como paladio de estructura hexagonal centrado en sus caras, fcc. El
patrón experimental obtenido coincide con los datos que se encuentran en la tarjeta 00-
046-1043 de las tablas cristalográficas estándar JCPDS. El cuadro insertado en la figura
1 muestra el tamaño de cristalito promedio, el cual se determinó por el método de
Warren-Averbach con el software Win-Crysize. Basándonos en el ancho del pico de
reflexión [200] se pudo calcular un tamaño de partícula promedio de 3.8 nm. El cálculo
del tamaño de las partículas también se realizó con el software Topas Academic con el
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cuál se obtuvo un tamaño partícula de 4 nm; para el paladio negro comercial este fue de
25 nm. La figura 2 muestra la imagen obtenida por SEM del catalizador preparado, en el
cuál se puede observar una superficie áspera con aglomerados esféricos de partículas
con un tamaño que oscila entre los 30-60 nm. En la figura 3 se muestra una imagen de
AFM en el que se observan aglomerados de las partículas en el rango de 350 nm,
formadas por partículas más pequeñas de aproximadamente 60 - 30 nm.
Figura 1: Patrón de difracción de rayos-X de Paladio. Las líneas verticales
corresponden a los datos de la carta 046-1043. El gráfico insertado en la figura muestra
el tamaño de partícula determinado por el método Warren- Averbach.
Resultados electroquímicos
La caracterización por voltametría cíclica se realizó en una solución de H2SO4 0.5
M libre de oxigeno a una velocidad de barrido de 50 mVs-1. En este experimento se
realizaron 20 ciclos de barrido para obtener el voltamogramas reproducibles. La figura
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3 muestra voltagramas de paladio en diferentes presentaciones para realizar una
comparación. En el electrodo del paladio metálico, no se presenta ningún pico asociado
a adsorción/desorción de hidrógeno en el metal policristalino. Sin embargo, estos picos
son notorios cuando el tamaño de cristalito disminuye. El voltagrama del paladio
sintetizado muestra un aumento en las corrientes de carga de la doble capa (0.25-0.45
V) asociado la disminución del tamaño de la partícula. El análisis del barrido catódico
muestra un incremento de la reducción de oxígeno conforme el tamaño de la partícula
desminuye, lo cual demuestra que existe un cambio en las interacciones metal-oxígeno
en función del tamaño de la partícula, como ha sido señalado por O. Savadogo y A. J.
Bard.
Figura 2: Micrografía SEM de Paladio sintetizado de la reducción de la sal
correspondiente con NaBH4.
La Figura 5 muestra las curvas de polarización a diferentes velocidades de
rotación en una solución de H2SO4 0.5 M saturada de oxígeno a 30°C. El gráfico
insertado en la figura 5 representa la inversa de la densidad de corriente (i-1)
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Figura 3: Imagen de AFM de la topografía de Paladio catalítico tal y como fue
sintetizado en THF.
Figura 4: Voltagramas cíclicos de paladio en diferentes presentaciones en H2SO4 libre
de oxígeno, a una velocidad de barrido de 50 mVs-1.
como una función del la inversa de la raíz cuadrada de la velocidad de rotación (ω-1/2), el
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cual es conocido como grafico Koutecky-Levich. La linealidad y paralelismo de estas
rectas indican que la cinética es de primero-orden con respecto al oxígeno molecular,
como ha sido descrito por A. J. Bard y Suárez Alcántara.
Teniendo en cuenta que el efecto del oxígeno en la capa de difusión es
insignificante cuando se utilizan pequeñas cantidades de Nafion como lo ha demostrado
Suárez Alcántara, la densidad de corriente global, esta relacionada con la corriente de
densidad cinética y densidad de corriente límite de difusión por la Ec. (1):
1/i = 1/ik + 1/id = 1/ik +1/(B*w1/2) (1)
La densidad de corriente cinética es proporcional a la actividad catalítica
intrínseca del material. La constante B = , siendo 0.2el coeficiente
usado cuando la velocidad de rotación esta dada en rpm, C es la concentración de
oxígeno en el seno de la solución (1.1 x 10-6 mol cm-3), D es el coeficiente de difusión
del oxígeno en la solución de ácido sulfúrico (1.4 x 10-5 cm2 s-1), ν es la viscosidad
cinemática del ácido sulfúrico (1.0 x 10-2 cm2 s-1). La pendiente de las líneas del gráfico
insertado la figura 5 nos permite evaluar el número de electrones involucrados en la
RRO. El valor obtenido experimentalmente de 11.2 x 10-2 mA rpm1/2 es muy semejante
al valor teórico de 10.8 x 10-2 mA rpm1/2, calculados para el proceso de transferencia de
cuatro electrones, indicando que la RRO sobre las nanopartículas de Paladio sigue un
proceso vía cuatro electrones para formar agu. La pendiente de Tafel a bajas
densidades de corriente tiene un valor de 120 mVdec-1 lo cual nos indica que la
transferencia del primer electrón es la etapa determinante en el proceso de
transferencia electrónica.
6/13/22.0 −νCDFn
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Figura 5. Diagrama de polarización para la RRO a diferentes velocidades de rotación.
Insertados se presentan diagrama de Koutecky-Levich y de Tafel.
10 -6
10 -5
10 -4
2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2
y = 22.93 * e^(-4.6918x) R= 0.99266
1000 T -1 / K -1
E# = 89.8 ± 0.5 kJ mol-1
Figura 6. Determinación de la energía de activación para la RRO en medio ácido.
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Una corriente de intercambio de 6.6 x 10-6 mA cm-2 ha sido determinada
después de realizar las correcciones por transporte de masa. Estos resultados indican
que las nanopartículas de paladio exhiben una actividad catalítica muy pobre con
respecto a platino, para la reacción de la reducción del oxígeno en una solución de
ácido sulfúrico. La dependencia de temperatura en los parámetros cinéticos se examinó
en el rango de 30 - 70 °C. Se obtuvo la energía de activación para la RRO a partir de la
corriente de intercambio la densidad a diferentes temperaturas usando la relación de
Arrhenius
RE
Tdid
3.2)/1(log #
0 Δ−= (2)
La figura 6 muestra el gráfico tipo Arrhenius (log i0 versus 1/T), a partir del cual
se pudo obtener una energía aparente de activación de E = 89.5 ±0.5 kJ mol-1. Este
valor se encuentra en el rango de las energías de activación aparente reportada por
Mukerjee et al., para electrocatalizadores de paladio en la RRO en medio ácido, pero
resulta ser significativamente menos activo para la reacción catódica que los
electrocatalizadores de Pt y Ru reportados en la literatura por Kinoshita (1998) y
Solorza-Feria y Durón (2002).
CONCLUSIONES
El presente estudio demuestra que la síntesis de electrocatalizadores a partir de
la reducción de la sal correspondiente con NaBH4 nos permite obtener partículas de
tamaño nanométrico. La caracterización física del paladio sintetizado mostró que este
presenta una estructura hexagonal fcc, con un tamaño de partícula promedio de 4 nm,
el cuál se encuentra formando aglomerados esféricos de aproximadamente 50 nm. Las
nanopartículas de paladio presentan una actividad catalítica para la RRO muy pobre
comparada con la de Pt y Ru.
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AGRADECIMIENTOS
Agradecemos la colaboración de Marco A. Leyva, Carlos Flores M y Dr. H. Yee-Madeira
por el soporte técnico brindado. Este trabajo fue apoyado por el Consejo Nacional de
Ciencia Y Tecnología, CONACYT, bajo el proyecto No. 46094.
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ACTIVIDAD CATALÍTICA DEL PdNi PARA LA REACCIÓN DE REDUCCIÓN DE OXÍGENO EN MEDIO ÁCIDO
Guadalupe Ramos-Sánchez; O. Solorza-Feria*
CINVESTAV-IPN. Departamento de Química. Av. IPN 2508, Col. San Pedro Zacatenco.
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XRD, and transmission electron microscopy, TEM, showed bimetallic nanoparticles with
grain sizes ranged on 8-10 nm with fcc hexagonal structure. Cyclic voltammograms and
polarization curves from rotating-disk electrode measurements showed significantly
higher activity on PdNi than observed on Pd catalyst alone, following a mechanism with
four electrons transfer process to water formation. The incorporation of Ni, a less
electronegative metal to Pd shifts the onset potential for the ORR approximately 110 mV
more positive, and at 0.5 mAcm-2 the cathode overpotential is reduced by 260 mV in
relation to obtained on Pd, in a 0.5M H2SO4 solution at 25°C.
INTRODUCCIÓN Las celdas de combustible de membrana polimérica (PEMFC, por sus siglas en Inglés),
requieren para su comercialización de la síntesis y caracterización de nuevos
electrocatalizadores que presenten alta actividad catalítica y estabilidad a largo tiempo,
así como bajo costo. Entre los catalizadores catódicos en las PEMFC, los compuestos
bimetálicos así como las aleaciones, son un área de intensa de investigación, en
especial aquellos compuestos catalizadores con base en Pt que continúan siendo muy
estudiados con el fin de aumentar su desempeño para la reacción de reducción de
oxígeno (RRO). La RRO es cinéticamente lenta y requiere la aplicación de un alto
sobrepotencial, aún con catalizadores con base en Pt, lo cual es asociado
principalmente al hecho de que el enlace oxígeno-oxígeno (O-O) requiere una alta
energía de disociación. Se ha propuesto en años recientes, que el aumento en la
actividad catalítica de los compuestos bimetálicos en comparación con superficies
metálicas puras es atribuido a dos efectos: Efecto bifuncional, en el cual las
características catalíticas propias de cada elemento se combinan y se crea un efecto
sinérgico para obtener una superficie más activa que la de los elementos por separado,
y además un Efecto electrónico en el cual un elemento altera las propiedades
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electrónicas del otro para modificar por completo la superficie catalítica (Murthi, 2004,
Savadogo, 2004).
El objetivo de este trabajo es sintetizar PdNi nanoestructurado, con el fin de
mejorar la actividad catalítica del Pd nanométrico puro, según ha sido reportado
previamente por J.J Salvador y col., 2007. El efecto bifuncional, de acuerdo al estudio
realizado por Bard et al., 2006 podría presentarse de la siguiente forma: El níquel
actuará como adsorbente de Oxígeno, y la reducción se llevará a cabo en los sitios
vecinos de Pd, de la misma forma se espera un efecto electrónico ya que las diferencias
en electronegatividades son significativas.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL Preparación de Electrocatalizadores
Los polvos nanométricos de PdNi fueron sintetizados por medio de la reducción de
PdCl2 (0.91M) y NiCl2 6H2O (0.91M) con NaBH4 en 100 mL de Tetrahyfrofurano (THF),
siguiendo la metodología reportada por Suryanarayan, Veisz y Stamenkovic. Un reactor
químico fue alimentado con PdCl2 y NiCl2 6H2O en THF previamente secado. El agente
reductor (NaBH4, 1.8M) fue adicionado lentamente mientras la solución se mantenía en
atmósfera de N2 con agitación a 25 C, por 16h. Posteriormente el producto de reacción
fue lavado varias veces para eliminar el NaCl formado, así como los residuos de
NaBH4; los polvos fueron filtrados y mantenidos en un recipiente dentro de un
desecador hasta su caracterización física y electroquímica.
Caracterización física
La identificación de fases se llevo a cabo con difracción de rayos X (XRD). Un
difractómetro D500 (Siemens) con radiación de CuKα (λ = 0.15443) fue usado para este
propósito. Se utilizó una velocidad de barrido de 0.02° y con un rango de 30° a 90° en
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2θ. Los difractogramas fueron analizados con el software Topas, y los patrones de
difracción fueron identificados con la base de datos JCPDS. El tamaño de partícula fue
también determinado haciendo observaciones con microscopía electrónica de
transmisión (TEM), utilizando un microscopio JEOL JEM 1200 EX operando a 120kV y
70uA.
Caracterización Electroquímica En los estudios electroquímicos, discos de carbón vítreo con área transversal de
0.07 cm2 y espesor de 5 mm fueron usados como soporte para las películas delgadas
de la tinta de electrocatalizador. Cada disco fue colocado en un recipiente fabricado con
Nylamide y base de acero inoxidable. Se preparó una tinta con 10 µL de 5% Nafion®
(Du Pont, 100 EW), 40µL de alcohol etílico y 1 mg de PdNi, después de tener esta
solución en agitación por 10 min en ultrasonido, se depositaron 3 µL en el electrodo
para formar una película delgada. La cantidad estimada de catalizador en la superficie
del electrodo de carbón vítreo fue 0.85 mgcm-2. Las medidas electroquímicas fueron
llevadas a cabo en una celda electroquímica de tres electrodos en H2SO4 0.5M, la cual
fue controlada a diferentes temperaturas. La voltamperometría cíclica y los estudios de
electrodo de disco rotatorio fueron realizados con un potenciostato/galvanostato (EG&G
Mod. 273A) y un rotor Pine (MSRX). Una malla de platino fue usada como
contraelectrodo y un electrodo de referencia de Hg/Hg2SO4/0.5M H2SO4 (MSE= 0.680
V/NHE). Todos los potenciales están referidos al ENH (Electrodo Normal de Hidrógeno).
Previo a la realización de los experimentos el electrolito ácido fue desoxigenado con N2
para la activación del electrodo de trabajo y saturado con O2 durante los experimentos
electroquímicos. Los estudios de EDR fueron obtenidos en el rango de velocidades de
rotación de 100 - 1600 rpm a 5 mVs-1.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización del catalizador La figura 1 muestra los patrones de difracción, XRD del Pd y PdNi tal y como
fueron obtenidos. Como se indica en la figura todos los patrones muestran claramente
los 5 picos característicos Pd cristalino, cúbico centrado en las caras (fcc) (JCPDS 046-
1043), lo que demuestra que la aleación mantiene la estructura de una sola fase. Los
picos de difracción en el catalizador PdNi están ligeramente recorridos a valores más
altos en 2θ con respecto a los correspondientes de Pd, lo cual revela la formación de la
aleación entre Pd y Ni. La amplitud del pico a ángulos bajos, sugiere la presencia de
nanocristalitos. Mediante el uso del software Topas Academia, se calculó un tamaño de
partículas de 8 - 10 nm para el material sintetizado. Las imágenes de TEM de la
muestra de PdNi (Figura 2) exhiben nanopartículas bien distribuidas con tamaño
uniforme. Los resultados analíticos confirman que la síntesis a través de la reducción de
cloruros metálicos con NaBH4 en THF, es un buen método para obtener nanocristales
adecuados para su uso en electrocatálisis.
Voltamperometría cíclica y estudios de EDR para la RRO Se realizaron voltamperometrías cíclicas del catalizador PdNi incorporado a una
película de Nafion® en el rango de potencial de 0.0 – 1.6 V ENH. La voltamperometría
fue obtenida después de 50 ciclos de barrido, a fin de eliminar los óxidos e impurezas
presentes en la superficie del catalizador. El voltamperograma del catalizador PdNi en
H2SO4 0.5 M es muy similar al reportado por Salvador et al. (2007). El comienzo de la
onda de formación de óxidos y el pico de reducción están ligeramente desplazados
hacia potenciales más positivos en comparación con lo reportado con Pd, lo cual indica
que la incorporación de Ni inhibe la quimisorción de OH en los sitios de Pd y aumenta la
RRO a bajos sobrepotenciales. Un comportamiento similar ha sido observado
recientemente por Stanmekovich et al., en Pt y aleaciones de Pt, en medio ácido.
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Figura 1. Difractogramas de rayos-X de compuestos sintetizados: a) Pd y b) PdNi
Figura 2: Imágenes de TEM del electrocatalizador PdNi.
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Figura 3: Voltamperograma cíclico de PdNi en electrolito libre de Oxígeno H2SO4 0.5 M,
velocidad de barrido 100 mVs-1.
La dependencia de la reacción de reducción de oxígeno como función del potencial
aplicado y la velocidad de rotación del electrodo en el catalizador PdNi incorporado a
una película de Nafión®, se presenta en la figura 4. Las curvas de polarización fueron
realizadas por la técnica de barrido lineal con una velocidad de barrido de 5 mVs-1,
desde el potencial de circuito abierto hasta 0.1 V NHE, en un rango de velocidades de
rotación de 100 – 1600 rpm. La reacción electroquímica parece tener control mixto por
activación-difusión en todo el rango de potencial. La gráfica de Koutecky-Levich (i-1 vs
ω-1/2) a potenciales que corresponden a los valores experimentales están insertadas
dentro de la figura 4; la linealidad y paralelismo de las líneas rectas indican una cinética
de primer orden con respecto al oxígeno molecular, así como que el número de
electrones transferidos por molécula de Oxígeno y sitio superficial activo no cambian
significativamente dentro del rango de potencial estudiado. El valor experimental de la
pendiente y el valor teórico tomando en consideración los parámetros reportados fueron
prácticamente el mismo, de ahí que se sugiere que la RRO procede vía transferencia de
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cuatro electrones para la formación de agua i.e., . A partir de
las gráficas de polarización de la figura 4, se obtiene el gráfico de Tafel corregido del
transporte de masa, por medio de la ecuación:
OHeHO 22 244 →++ −+
iiii
iL
Lk −
= (1)
donde ik y iL, son la corriente cinética y corriente límite, respectivamente. La
metodología propuesta para el tratamiento de datos y la obtención de parámetros
cinéticos ha sido reportada por Suárez-Alcántara et al. (2006). La figura 5 se presenta
una comparación de las corrientes cinéticas obtenidas con PdNi y Pd sintetizados bajo
las mismas condiciones. En ambos casos los gráficos de Tafel muestran un
comportamiento linear en la región mixta de activación-difusión y desviaciones de la
corriente cinética a altos sobrepotenciales.
Figura 4. Curvas corriente- potencial en estado estacionario a diferentes velocidades de
rotación, en electrolito H2SO4 0.5M saturado de Oxígeno. Insertado se presenta la
gráfica de Koutecky Levich a varios potenciales.
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De la misma forma se observa de las gráficas de Tafel que el sobrepotencial
disminuye por la adición de Ni, un metal menos electronegativo que el Pd para la
formación del electrocatalizador bimetálico. Los valores obtenidos para la pendiente de
Tafel fueron 67 mV/dec para PdNi y 120 mV/dec para Pd. Para obtener una corriente
de 0.5 mAcm-2 se observa una reducción del sobrepotencial aplicado alrededor de 300
mV con PdNi, en comparación con lo observado con Pd. Las propiedades
electrocatalíticas intrínsecas del electrocatalizador PdNi para la RRO, pueden ser
atribuidas al efecto bifuncional en el cual las propiedades catalíticas de cada uno de los
elementos se combinan de una forma sinérgica para generar una superficie más activa
que la de los elementos por separado.
Figura 5. Gráficos de Tafel corregidos por transporte de masa para Pd y PdNi.
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CONCLUSIONES
La síntesis por medio de reducción de sales metálicas produce partículas catalíticas de
tamaño nanométrico bien distribuidas. El análisis de difracción de rayos-x demuestra
que el compuesto obtenido mantiene la estructura de Pd y con un ligero desplazamiento
de los picos debido a la presencia de Ni. El análisis cinético electroquímico del
compuesto PdNi, revela que la adición de Ni a Pd reduce el sobrepotencial catódico
aumentando la actividad catalítica de PdNi hacia la RRO con un proceso de
transferencia de cuatro electrones para la formación de agua. Lo cual pone de
manifiesto la existencia de efectos bifuncionales de utilidad en el campo de pilas de
combustible.
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SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE Pt Y Pt-Au COMO ELECTRODOS PARA PEMFC
B. Ruiz Camacho (1), M. Torres Rodríguez(1), O. Solorza-Feria(2)*
(1)Depto. de Ciencias Básicas e Ingeniería, Área de Química Aplicada, Universidad
Autónoma Metropolitana, Av. San Pablo 180, 02200 Azcapotzalco, México D.F. Correl:
Figura 7. Gráfica de Koutecky-Levich para la RRO electrocatalizada por M1
En la figura 8 se presenta el gráfico de Tafel corregido por difusión, a partir del cual se
pueden calcular los parámetros cinéticos: pendiente de Tafel (b, mV/dec), coeficiente de
transferencia (α) y corriente de intercambio (io, mA/cm2); valores obtenidos de estos
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0.001
0.01
0.1
1
10
100
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1E (ENH)
log
jk
Figura 8. Gráfica de Tafel para la RRO sobre M1
experimentos son presentados en la Tabla 2, así como su correspondiente desviación
estándar. Resultados similares fueron obtenidos para los tres catalizadores restantes
M2, M3 y M4, los cuales se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2. Parámetros cinéticos obtenidos de los catalizadores de Pt y Pt-Au
Catalizador α b (mVdec-1) io (mA/cm2)
Pt (M1) 0.89+0.07 65.9+0.07 4.34E-06
Pt-Au (M2) 0.57+0.04 103.0+8.34 8.57E-05
Pt/C NaOH (M3) 0.64+0.02 91.5+3.33 2.56E-06
Pt/C NH4OH (M4) 0.53+0.01 110.0+2.12 1.99E-05
En la Tabla 2 se presentan los valores de los parámetros cinéticos obtenidos de
los catalizadores sintetizados, los datos de la desviación estándar nos indican que hay
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reproducibilidad, por lo tanto es un indicio más de que los materiales electrocatalíticos
Pt y Pt-Au pueden ser considerados como cátodos para llevar a cabo la RRO en una
celda de combustible PEM.
La muestra M1 presenta una pendiente de Tafel más cercana a los -60mVdec-1,
lo cual se relaciona con la misma etapa de transferencia de un electrón, pero bajo
condiciones de adsorción de Temkin. Los catalizadores M2, M3 y M4 presentan
pendientes de Tafel alrededor de 90–110 mVdec-1, lo que significa que la etapa
determinante de la reacción es la transferencia de un electrón bajo condiciones de
adsorción de Langmuir. Estos resultados indican que el mecanismo de reacción es
mayoritariamente llevado a cabo por la vía de transferencia de 4 electrones, para la
producción directa de agua (Villillas, 2000).
El coeficiente de transferencia α es una medida de las contribuciones entrópicas
y entálpicas en la barrera de energía. Las muestras M2, M3 y M4 presentan valores de
α cercanos a 0.5, valor común en materiales electrocatalíticos y no un único parámetro
para obtener conclusiones importantes; habrá que tomar en cuenta la densidad de
corriente de intercambio y el valor de la pendiente de Tafel experimental. Las
densidades de corriente de intercambio nos indican que los catalizadores M2 y M4
llevan a cabo la RRO a una velocidad más rápida, al presentar los valores de densidad
de corriente mayores.
CONCLUSIONES
• Se lograron sintetizar nanopartículas de Pt y Pt-Au con tamaño promedio menor a
10nm por el método de reducción química, un método simple y reproducible.
• A partir de los estudios electroquímicos, se ha determinado que los compuestos
sintetizados a base de Pt y Pt-Au, muestran actividad electrocatalítica para la
reacción de reducción de oxígeno, según la reacción global O2 + 4H+ + 4e- =
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H2O.
• Al comparar los parámetros cinéticos del catalizador monometálico M1 y
bimetálico M2, se observa un efecto de sinergia en el catalizador bimetálico M2
al presentar valores cinéticos que favorecen más la RRO comparados con los del
catalizador M1.
• Al analizar el efecto que presentan las muestras M1 y M4 en función del método
de impregnación, se encontró que una impregnación in-situ permite obtener una
mejor dispersión del catalizador sobre el carbón y una mayor fuerza de
interacción entre el metal y el carbón.
• A pesar que las muestras sintetizadas en medio básico con NaOH fueron lavadas
con abundante agua, se detectó la presencia de NaCl después de varios ciclos
de lavado, lo que implica que es muy difícil su eliminación por lo que es
recomendable controlar el pH de síntesis ajustando el pH con NH4OH.
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RESUMEN La evolución de la investigación, el desarrollo y la innovación tecnológica presentan una
dinámica sin precedentes; estamos ante un nuevo proceso de revolución tecnológica,
donde la colaboración y la comunicación entre investigadores y grupos de investigación
multidisciplinarios, deben ser dinámicas, rápidas y estratégicas.
En el presente la ciencia se desarrolla generalmente en un ambiente competitivo,
en el que los investigadores en laboratorios o grupos donde trabajan, compiten unos
contra otros por recursos, prioridad en los resultados y prestigio. Por lo anterior, en una
Red de Investigación, sus bases se fundamentan en la coparticipación, la colaboración,
y donde la corresponsabilidad de sus miembros, debe de representar una forma de
colaboración flexible, no jerárquica entre varios miembros, o entidades que trabajan de
manera conjunta en la consecución de un propósito u objetivo común de una materia
específica.
ABSTRACT Research evolution, development and technological innovation exhibit a dynamical
behavior not presented before; we are in a new process of technological revolution
where the collaboration and communication between several groups of research must
be in a dynamical and quick way.
Currently, science development generally rises in a competitive environment where
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investigators work alone and look for resource to be ahead of the results. By contrast, in
a network investigation all the members work in a cooperative way without hierarchy
levels, distributed responsibilities and results in order to look common objectives.
INTRODUCCIÓN
La evolución de la investigación, el desarrollo y la innovación tecnológica ha presentado
una dinámica sin precedentes. Prácticamente todos los días se presentan
descubrimientos o mejoras en todos los campos del conocimiento. Lo anterior nos
indica que estamos ante un nuevo proceso de revolución tecnológica, donde la
colaboración y la comunicación entre investigadores y grupos de investigación
multidisciplinarios, deben ser dinámicas, rápidas y estratégicas.
Actualmente la interacción entre muchos grupos de investigación es escasa, la
infraestructura nacional de laboratorios es pobre, una buena parte de estos grupos
trabajan en malas condiciones con raquíticos apoyos y falta de espacios. Otra
característica que se nota en muchos grupos de alto nivel es que forman “islas de
competencia”, donde raramente se citan los artículos producidos por otros grupos de la
misma institución, en raras ocasiones se comparte la infraestructura científica, tan cara
y escasa en la zona. Estos fenómenos que, entre otras cosas, son una manifestación
de la pobre interacción entre los grupos de investigación. La ciencia se desarrolla
generalmente en un ambiente competitivo, en el que los investigadores o laboratorios
donde trabajan compiten unos contra otros por recursos, prioridad en los resultados y
en prestigio. Al mismo tiempo, dentro de un laboratorio y bajo la dirección de los líderes
académicos, la gente colabora, comparte ideas, recursos y publica en grupo. En años
recientes una corriente mundial que se origina en los países más desarrollados parece
revertir la tendencia a la competencia entre los grupos de investigación: la creación de
Redes de Investigación. Probablemente inspirados en el funcionamiento de las
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neuronas en el cerebro humano o de la red global de internet, las redes de
investigación buscan conectar grupos de investigación con intereses comunes para la
resolución de problemas de temas nuevos ó de gran complejidad, donde se necesita la
participación mutidisciplinaria. La relación entre los centros de investigación sigue
reglas sencillas y flexibles, que resultan ser muy poderosas al sumar expertos en
diferentes áreas, con diferentes visiones, a la búsqueda común de soluciones,
compartiendo recursos, infraestructura y finalmente, resultados (De la Peña, 2007).
ANTECEDENTES
Canadá inició su programa de Redes de Centros de Excelencia en 1980 buscando dar
un enfoque multi-institucional, multi-disciplinario, inter-regional a la ciencia, con especial
atención a su vinculación con la industria. Entre 1991 y 2001 el programa recibió más
de 750 millones de dólares del gobierno canadiense e incluyó programas en todas las
áreas del conocimiento. Tan exitoso ha sido el programa que ahora Canadá ha iniciado
la creación de redes de alcance mundial. La Comunidad Europea ha hecho esfuerzos
importantes también por crear redes de colaboración científica a nivel internacional con
la participación de países de esta comunidad.
En México, algunos pequeños esfuerzos se han hecho. En los años noventas del
siglo pasado, CONACyT mantuvo, pocos años, un programa con algunas redes
científicas. El año pasado, se aprobó la creación y financiamiento de 15 Laboratorios
Nacionales, cofinanciados entre CONACyT y otras entidades (gobiernos estatales y
universidades), que al concluirse dentro de tres años, deberán dar servicio a
determinadas regiones del país. En pocas semanas, CONACyT presentará el programa
Redes Temáticas de Investigación, que buscará articular grupos de investigación en 12
áreas temáticas, tomando como base las Ideas para Megaproyectos seleccionadas el
año pasado. Todos estos esfuerzos apuntan hacia el fortalecimiento de la todavía frágil
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estructura de la ciencia mexicana (De la Peña José Antonio, 2007).
El Plan Nacional de Desarrollo y el Programa Especial de Ciencia y Tecnología,
actuales, establecen la importancia de la creación y operación de redes de investigación
en el desarrollo de la ciencia y tecnología en México. La Ley de Ciencia y Tecnología en
su artículo 30 menciona la importancia de la creación de redes para la definición de
estrategias, programas conjuntos, articulación de acciones, potenciar recursos,
optimizar infraestructura, propiciar intercambios y concentrar esfuerzos en áreas
relevantes para el desarrollo nacional. En el artículo 40 de la citada ley, se menciona la
necesidad de promover la vinculación con el sector industrial del país (Plan Nacional de
Desarrollo 2006, Programa Especial de Ciencia y Tecnología 2001-2006).
En el ámbito Institucional, el Programa de Desarrollo Institucional del IPN destaca
la importancia de las redes de colaboración y su papel en la organización y
funcionamiento del Instituto, como mecanismos que permiten responder de manera
integral a las nuevas demandas de la sociedad, y potenciar las capacidades de las
Unidades Académicas como la institución (Materiales para la Reforma, IPN, 2004).
En Septiembre de 2005 se realizó un cambio en la estructura orgánica del IPN a
fin de dar cumplimiento a la instrumentación del Nuevo Modelo Educativo. Una de las
estrategias para lograr la implementación de este modelo, fue promover el trabajo a
través de redes académicas (Materiales para la Reforma”, “Programa Estratégico de
Investigación y Postgrado” y “Estrategia para Impulsar el Trabajo en Red en el IPN”,
2004).
REDES DE INVESTIGACIÓN
Una Red de Investigación debe concebirse como un instrumento para la cooperación, y
utilizarse como modelo de organización y gestión que fomente el fortalecimiento de una
institución. Debe de representar una forma de colaboración flexible, no jerárquica, entre
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varios miembros o entidades que trabajan de manera conjunta en la consecución de un
propósito u objetivo común de una materia específica. Una Red de Investigación
fundamenta sus bases en la coparticipación, la colaboración y la corresponsabilidad de
sus miembros.
Actualmente, en las áreas especificas se abordan varias Unidades Académicas
donde existen investigadores, grupos y proyectos de investigación aislados cuyos
esfuerzos se ven atomizados; no existen proyectos que puedan complementarse o que
se desarrollen de manera conjunta por más de un miembro del SNI. El objeto de una
Red de investigación es generar y contar con un espacio de estudio y discusión que
favorezca, prioritariamente, la integración de las diferentes disciplinas y Unidades
Académicas que abordan temas específicos y de interés común. La misma vista desde
las ópticas de las distintas ciencias, sería el campo de desarrollo de una Red de
Investigación, pero desde una concepción articuladora buscando la síntesis y
sumatorias de las visiones y capacidades particulares con el fin de encontrar una
perspectiva integral de desarrollo de una institución, Figura 1.
Las necesidades de colaboración por medio de una Red de Investigación van más
allá de la organización de un evento académico, más bien deben ser consideradas
como un mecanismo de encuentro, que permite, entre otras cosas:
a) La concentración del esfuerzo en temas específicos mediante el trabajo
horizontal coordinado;
b) La vinculación de las funciones sustantivas de una institución;
c) La optimización en el uso de los recursos humanos y de la infraestructura física;
d) El incremento en la calidad de los servicios;
e) La generación de una mayor relación con el entorno;
f) El logro de mejores resultados y un mayor reconocimiento social.
La identificación de los proyectos de investigación a desarrollarse dentro de las
diferentes áreas de aplicación; la realización de coloquios académicos y seminarios de
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Figura 1: Operación de una Red de Investigación.
discusión; la participación en eventos académicos; el intercambio y difusión de la
información; la difusión de las actividades de la Red por medios electrónicos; página
Web, revistas; la publicación de artículos conjuntos, la elaboración de bases de datos,
la colaboración con otros grupos académicos dentro y fuera de una institución, entre
otras, es menester de una Red de Investigación.
En el campo de la docencia, la Red permitirá impulsar la innovación curricular;
promover discusiones sobre como mejorar los métodos de enseñanza y aprendizaje en
áreas especificas; propiciar el desarrollo de programas conjuntos y cursos
especializados; establecer la forma en que los académicos se integren al nuevo Modelo
Educativo; optimizar su comunicación, impulsar el aprendizaje de las mejores
experiencias y constituir comunidades de aprendizaje entre una gama amplia de
opciones, Figura 2.
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(Editor), México, 2008 ISBN 978-968-5441-11-7
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Figura 2: Redes de Investigación en la docencia.
CONFORMACIÓN DE UNA RED DE INVESTIGACIÓN El primer paso para la conformación de una Red de Investigación es identificar los
temas de interés Institucionales, dar nombre a la Red de acuerdo al área de
investigación, nombrar al Coordinador de la misma, definir misión, visión, objetivos
generales y específicos, así como un logotipo que distinga a la Red en formación.
Las Redes Académicas están por lo general, compuestas por: a) participantes
individuales en la red, provenientes de una institución o unidad; b) grupos de
participantes que proceden de la misma institución o unidad, a los que se denominan
“nodos”, mismos que deben contar con un nivel relativamente homogéneo, a fin de
disponer de un lenguaje común; c) un núcleo de Coordinación que organiza y armoniza
las actividades de la Red; d) las relaciones o vínculos de la Red que se generan a
través de la interrelación de los actores, en base a un organigrama establecido, Figura
3.
En la conformación de una Red de Investigación deberán integrarse grupos de
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trabajo entre las Unidades Académicas participantes o miembros potenciales de la Red,
especificando el representante de cada una de las Unidades, con el fin de realizar un
ejercicio de planeación que permita precisar la temática de trabajo, el rumbo que desea
darse a la Red, las líneas de trabajo a desarrollar, la temática de estudio o la idea de
interés común, la justificación en torno a la problemática o necesidad que se pretende
resolver, las formas de comunicación y seguimiento del trabajo, los compromisos de las
Unidades Académicas con su conformación y operación.
Figura 3: Organigrama de una Red de Investigación.
Posteriormente es necesario desarrollar entre todos los miembros de la Red un “plan de
Acción” con la calendarización de las actividades a desarrollar; mencionar las
responsabilidades y tareas de cada uno de los participantes; los mecanismos para el
seguimiento de las actividades; sus resultados y compromisos; el apoyo que tiene cada
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Unidad Académica involucrada; los requerimientos para el trabajo y recursos, además
de los mecanismos de evaluación y retroalimentación al trabajo de la Red, Figura 4.
Una Red de Investigación está integrada por el personal, academias o grupos de
académicos provenientes de las distintas Unidades Académicas de una institución.
Cuando exista más de un representante por Unidad Académica en la Red, se
conformará un nodo. Los representantes únicos y los nodos tendrán la obligación de
llevar a la Unidad Académica el trabajo realizado por la Red, difundirlo y promover su
apoyo, con el fin de conformar los equipos de trabajo responsables de lograr los
proyectos incubados en la Red.
Los profesores-investigadores adscritos a alguna dependencia de la institución con
actividad científica comprobable en la materia específica de estudio de la Red en sus
diversos sectores, podrán ser miembros de la Red respectiva de Investigación.
Figura 4: Conformación de una Red de Investigación.
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La Red de Investigación contará con un Coordinador de la Red, propuesto por los
participantes, en función de su experiencia y liderazgo y ratificado por un miembro
administrativo de la institución.
El nombramiento de coordinador será de 2 años con la posibilidad de permanecer
un periodo adicional de 2 años. El Coordinador y el resto de los miembros serán
corresponsables del desarrollo del trabajo de la Red, del cumplimiento de sus metas y
del logro de sus objetivos, por lo que se necesitará una adecuada definición de
funciones, responsabilidades y tareas para cada uno de los miembros.
Existirá un Secretario Técnico de la Red de Investigación, quien será la interfase
entre el Coordinador de la Red y la autoridad superior de la institución.
El Coordinador de la Red tendrá a su cargo la planeación de los trabajos de ésta y dará
seguimiento a la ejecución de las actividades que la Red hubiera definido; mantendrá
contacto permanente con el Secretario de Actas, con Representantes de cada Unidad
Académica y con los Coordinadores de Programas específicos; elaborará los informes
de ejecución y difundirá las actividades, resultados e impactos de estos trabajos. Ello
supone que los participantes reconozcan su liderazgo y que asuman sus tareas de
manera que exista una coparticipación de cada uno de los miembros en la gestión, lo
que impulsará múltiples liderazgos que permitirá compartir protagonismos y satisfacer
aspiraciones de reconocimiento y estimación de los participantes. Por tal razón, deberá
darse una selección apropiada de ellos que asegure su complementariedad.
La Red de Investigación como cualquier otra Red Académica mantendrá una
forma de colaboración flexible, no jerárquica, entre los miembros que trabajan de
manera conjunta en la consecución de un propósito u objetivo común. Con base en la
definición de las líneas de investigación o los sectores de aplicación, se conformarán
Programas específicos y se nombrará a los Coordinadores de cada Programa.
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RED DE TECNOLOGÍAS DEL HIDRÓGENO DEL IPN
La consolidación de la Red de Tecnología del Hidrógeno del IPN permitirá conjuntar
esfuerzos de todos los grupos académicos que desarrollan la generación, el transporte
y almacenamiento, aplicaciones y el uso industrial y particular de este portador
energético que podra utilizarse como combustible y que facilitará la integración del
Instituto Politécnico Nacional a la Red Nacional de Hidrógeno [“Red de Tecnologías del
Hidrógeno del IPN”, 2006, Plan Nacional de Hidrógeno 2005]. Tomemos en cuenta:
MISIÓN: Fomentar el desarrollo científico y tecnológico del Instituto Politécnico
Nacional en materia de producción, almacenamiento, distribución, uso y manejo del
hidrógeno como portador energético sado como combustible, apoyando la
investigación-científica de calidad, estimulando la vinculación y la innovación
tecnológica, así como impulsando la formación de recurso humanos de alto nivel.
VISIÓN: Ser una plataforma de encuentro para la vinculación efectiva que en
materia de docencia, investigación y desarrollo tecnológico le permitan al Instituto
Politécnico Nacional consolidarse en el área de la Tecnología del Hidrógeno. Será el
órgano académico asesor y el núcleo generador de ideas en materia de normatividad y
estándares para la producción, almacenamiento, distribución, uso y manejo del
hidrógeno como combustible en el IPN. La Red de Tecnología del Hidrógeno del IPN
permitirá impulsar proyectos de investigación; la transferencia de conocimientos y
tecnologías; la innovación de procesos, productos y servicios, la oferta de éstos; y la
formación de recursos humanos asociada a dichos proyectos. OBJETIVOS: Propiciar el avance del conocimiento y de las capacidades
institucionales en materia de tecnología del hidrógeno para la formulación de políticas y
estrategias gubernamentales, institucionales y empresariales para enfrentar los cambios
energéticos requeridos a corto, mediano y largo plazo.
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Impulsar el trabajo académico desde una perspectiva integral en la cual la
docencia, la investigación y la integración social sean elementos indisociables.
• Propiciar el trabajo colegiado a través de esquemas de colaboración horizontal,
como base de desarrollo de las Unidades Responsables favoreciendo el
conocimiento de sus comunidades y estimulando la capacidad creadora de sus
miembros.
• Fomentar la colaboración sistemática entre las Unidades académicas a fin de
potenciar sus capacidades físicas, humanas y financieras; los esfuerzos de
superación y sus resultados e impactos.
• Elevar la competitividad, la innovación y la calidad de las investigaciones y
desarrollos tecnológicos del Instituto Politécnico Nacional en materia de
producción, almacenamiento, distribución, uso y manejo del hidrógeno como
combustible.
El mecanismo de trabajo de la Red de Tecnología del Hidrógeno del IPN permitirá
fortalecer el trabajo institucional, sus resultados e impactos; una mayor apertura de las
Unidades Académicas y las dependencias de administración central; el trabajo
interdisciplinario y coordinado entre funciones, áreas unidades y niveles, académicos; el
desarrollo y aprovechamiento de la infraestructura y las capacidades institucionales, así
como la identificación de objetivos comunes de desarrollo en materia de producción,
almacenamiento, distribución, uso y manejo del hidrógeno como combustible.
CONCLUSIONES
Mucho se ha dicho y escuchado sobre la importancia de la competencia en la ciencia y
en otras actividades humanas: se selecciona a los más fuertes o hábiles, cada quien
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lucha por demostrar su superioridad sobre los otros y para ello busca la propia
superación. La formación de Redes de Investigación apunta en otra dirección
conceptual y ética. La ética de la confianza y la colaboración permite a los participantes
de una red reducir la competencia, ayudarse a resolver problemas científicos,
intercambiar estudiantes, en fin, sumar esfuerzos. En cierto sentido, las Redes de
Investigación, convierten a todos los participantes de la red en colegas, todos
comparten ideas, todos comparten la infraestructura tecnológica disponible de los
integrantes de la red.
REFERENCIAS De la Peña Mena J.A., “Redes científicas”, La Crónica de Hoy, sección Opinión, Consejo Consultivo de
Ciencias de la Presidencia de la República (CCC). octubre 2007 IPN, “Estrategias para impulsar el trabajo en red en el IPN”. Materiales para la Reforma, Volumen 8,
México D.F, 2004. IPN, “Un nuevo modelo educativo para el IPN”. Materiales para la Reforma, Volumen 1, México D.F.,
2004. Plan Nacional de Desarrollo 2001-2006. Plan Nacional de Hidrógeno, 2005. Programa Especial de Ciencia y Tecnología 2001-2006. Programa Red Nacional del Hidrógeno, A. C. 2005-2007. Protocolo “Red de Tecnologías del Hidrógeno del IPN”, 2006. Reporte primer encuentro para describir el “Potencial del Hidrógeno en el Desarrollo energético Nacional”,
Sociedad Mexicana del Hidrógeno, 2003.
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ENERGÍA RENOVABLE DE TIPO BIOLÓGICO H2 Y CH4 Y ENERGÍA ELÉCTRICA DIRECTA A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS: CONTRIBUCIÓN AL
DESARROLLO SUSTENTABLE DE MÉXICO
Héctor M. Poggi-Varaldo
Depto. de Biotecnología y Bioingeniería, Grupo de Biotecnología Ambiental y de
Energías Renovables Biológicas Labs. 33 y 34, Centro de Investigación y de Estudios
Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Avda. Instituto Politécnico Nacional 2508
esq. Avda. Ticomán, Col. San Pedro Zacatenco, Del. G. A. Madero. México D.F., 07360,
Correl: [email protected]; Tel.: 50613800 x4324 y x3312 Fax: 5063313
RESUMEN En México, se genera más de 50 000 ton/d de residuos sólidos urbanos y 400 000 ton/d
de residuos sólidos industriales. De acuerdo con nuestro enfoque, el tema de la gestión
de los residuos cambia de paradigma y se convierte de “problema” costoso y fastidioso
en una fuente de recursos primarios y secundarios, es decir, en una verdadera
“biorrefinería” generadora de recursos, donde los residuos orgánicos son una materia
prima prácticamente gratuita e inextinguible. Los productos de una biorrefinería de este
tipo son: energías de tipo biológico como hidrógeno y metano que se pueden convertir
fácilmente a energía eléctrica, energía eléctrica directa con celdas de combustible
microbianas, ácidos orgánicos y solventes (ácido acético, propiónico, butírico, valérico,
acetona, butanol) para materias primas de la industria química, fertilizantes y
eventualmente ingredientes para alimentación animal. El núcleo de una biorrefinería de
nuevo tipo es la fermentación hidrogenogénica en sustrato sólido. Ésta genera una gran
cantidad de metabolitos orgánicos (ácidos orgánicos y solventes de bajo peso
molecular, mayoritariamente) que están presentes en los sólidos gastados o de purga
del proceso, y que en principio pueden aprovecharse para aumentar el rendimiento
residuales líquidos orgánicos utilizando pilas de combustible microbiana: avance y perspectivas. In: Solorza, O.; Ríos-Leal, E.; Poggi-Varaldo, H.M. (Compiladores). Energías Renovables Biológicas-Hidrógeno-Pilas de Combustible 2007. Ed TESE, Edo. de Méx., México. ISBN TBA. Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional. México D.F., México, Nov. 2007.
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Escamilla, C.; Poggi-Varaldo (2007). Proceso integrado para la obtención de biocombustibles gaseosos y otros recursos a partir de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos. Propuesta de proyecto DBB, CINVESTAV del IPN, México DF, México
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Muñoz-Páez, K.; Poggi-Varaldo, H.M. (2007 a). Avance y perspectivas de los procesos biológicos fermentativos para la obtención de H2 de residuos sólidos municipales e industriales. In: Solorza, O.; Ríos-Leal, E.; Poggi-Varaldo, H.M. (Compiladores). Energías Renovables Biológicas-Hidrógeno-Pilas de Combustible 2007. Ed TESE, Edo. de Méx., México. ISBN TBA. Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional. México D.F., México, Nov. 2007.
Muñoz-Páez, K.; Ríos-Leal, E.; Ponce-Noyola, M.T.; Esparza-García, F.; García-Mena, J; Poggi-Varaldo, H.M. (2007 b). Producción de hidrógeno a partir de residuos orgánicos utilizando el pH como inhibidor de la metanogénesis. In: Lucho-Constantino, C.; Vázquez, G. (Editores). Proceedings of the 2nd International Meeting on Renewable Energies and 1st International Workshop on Biotechnology. ISBN-TBA. UAEH-UPP-Gob. Hidalgo, Pachuca, Hgo., Nov. 2007.
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Héctor M. Poggi-Varaldo (CINVESTAV), Alfonso Martínez Reyes (TESE), José A. Pineda-Cruz (TESE), Sergio Caffarel-Méndez (TESE), Coeditores
Poggi-Varaldo, H.M. (2007). Biorrefinería de desechos urbanos: bioenergías, materias primas, y
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Robledo-Narváez, P.; Poggi-Varaldo, H.M. (2007). Biohidrógeno y metano por co-fermentación de residuos agroindustriales de la cuenca del Pánuco. Propuesta de proyecto DBB, CINVESTAV del IPN, México DF, México.
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NOTACIÓN
DASSA ___ Digestión anaerobia en sustrato sólido acidogénica
DASSM ___ Digestión anaerobia en sustrato sólido metanogénica
FASSH-VI Fermentación anaerobia en lote en sustrato sólido hidrogenogénica con
venteo intermitente
FORSU _ Fracción orgánica de residuos sólidos urbanos
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AVANCE Y PERSPECTIVAS DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS FERMENTATIVOS PARA LA OBTENCIÓN DE H2 DE RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES E
INDUSTRIALES
Karla María Muñoz-Páez y Héctor M. Poggi-Varaldo*
Depto. de Biotecnología y Bioingeniería, Grupo de Biotecnología Ambiental y de
Energías Renovables Biológicas Labs. 33 y 34, Centro de Investigación y de Estudios
Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Avda. Instituto Politécnico Nacional 2508
esq. Avda. Ticomán, Col. San Pedro Zacatenco, Del. G. A. Madero. México D.F., 07360,
En el metabolismo anaerobio el piruvato generado mediante la glicólisis es usado para
producir acetil-CoA del cual se genera ATP formato o ferredoxin (Fd) reducido, de
donde se puede generar H2. Las bacterias entéricas derivan H2 de formato y los
anaerobios estrictos de Fd (red). Los rendimientos en esos metabolismos son
relativamente bajos; uno o dos mol de H2 producido por molécula de piruvato.
La estequiometria de la fermentación de la glucosa da en un principio un máximo
12 mol H2/mol glucosa, sin embargo para mantener el balance energético se sugiere
que a los sumo solo un tercio de la energía de la glucosa es convertida a H2.
La producción de H2 puede ser llevada a cabo a través de una gran variedad de
microorganismos mesofílicos y termofílicos en condiciones anóxicas. Bajo condiciones
mesofílicas (Escherichia coli o Enterobacter aerogenes) se ha reportado que la máxima
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conversión es de 4 mol de H2/mol glucosa y se piensa que el doble de esta producción
podría ser suficiente para que la fermentación de H2 sea factible económicamente. Esto
es valido si los costos de fermentación son similares a los de la fermentación de etanol
y metanol.
Entre los microorganismos reconocidos como mayores productores de hidrógeno
se encuentran Clostridium pasteurianum,C. butyricum y C. beijerinkii. La producción de
H2 por estas bacterias es altamente dependiente de diversas condiciones como pH,
tiempo de retención hidráulica, presión parcial de hidrógeno, los cuales afectan el
balance metabólico. Las mayores velocidades de producción obtenidas se muestran en
la Tabla 2.
Tabla 2. Producción de H2 a través de fermentación oscura
Microorganismo Velocidad de producción
(mmoLH2/L. h)
Tipo de cultivo
Sustrato
Clostridium, mesofilico
Cultivo indefinido, mesofílico
Cultivo indefinido, mesofílico
Cultivo indefinido termofílico
Cultivo indefinido, termófiilo
extremo
21.0
64.5
121.0
8.2
8.4
Lote
Lote
Lecho
empacado
Lote
Lote
Xilosa
Celulosa
Sacarosa
Agua
Residual
Sacarosa
Notas: Adaptado de Valdez-Vazquez, 2007
A pesar de que se tiene menor eficiencia al producir con microorganismos
fermentadores anaerobios facultativos se tiene menor eficiencia (16.6%) pero también
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menos sensibilidad al oxígeno que resulta en un proceso de producción a escala
continua, teniendo así mayores rendimientos de H2 (Oh et al. 2002).
Enzimas involucradas Las dos enzimas principales involucradas en el metabolismo del H2 en los procesos
fermentativos son la nitrogenasa y la hidrogenasa.
Nitrogenasa
La nitrogenasa es un sistema proteico de dos componentes que usa MgATP (2ATP/e-) y
electrones de bajo potencial derivados de ferredoxin reducido o flavodoxin para reducir
una variedad de sustratos. Produce H2 como un co-producto de la fijación de N2. Para
mantener la reacción de fijación de nitrógeno en la dirección correcta la enzima produce
un exceso de H2 que se difunde fuera de la célula (Kovács et al., 2006). En ausencia de
otros sustratos, la nitrogenasa continúa reduciendo protones a hidrógeno. Esta es la
base de la producción de H2 del sistema basado en la nitrogenasa. En cada ciclo, el
complejo Mg ATP proteína Fe asociado con la proteína MoFe, 2 ATP son hidrolizados
con las transferencia de un electrón a la proteína MoFe y los complejos disociados.
Hidrogenasa
La hidrogenasa es una metalo-enzima que tiene átomos de niquel (Ni) y fierro (Fe) o
solo Fe. La NiFe hidrogenasa es un heterodímero que consiste en dos subunidades de
una pequeña(s) y una larga (L). La unidad pequeña tiene 3 cluster sulfuro-fierro, dos
[4Fe-4S] y un [3Fe4S]. La subunidad larga contiene un único complejo centro niquel-
hierro con coordinación con 2 CN y un CO, formando un metalocentro único.
Es extremadamente sensible al oxígeno, altas temperaturas, monóxido de
carbono, cianuro y a otros factores ambientales. Entre las funciones de la hidrogenasa
se encuentran la disposición del exceso de poder reductivo y la generación de energía
química mediante la oxidación del H2 (Kovács et al., 2006).
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Inhibición de metanogénesis Los inhibidores de la metanogénesis se pueden clasificar en dos tipos, específicos y no
específicos. Los inhibidores específicos atacan a moléculas específicas de las arqueas
metanogénicas, entre estos se conoce al bromoetanosulfonato (BES) y lumazina
(Chidthaisong, 2000). Mientras tanto los inhibidores no específicos afectan a funciones
generales de los microorganismos, entre estos se encuentra acetileno, tratamiento
térmico, pH ácido (Chidthaisong, 2000).
Para elegir el inhibidor a utilizar se debe de tomar en cuenta su costo y que no
dejen residuos en el medio o sólidos gastados cuando se utiliza biomasa, por lo tanto
las sustancias químicas como BES, fluoroacetato y cloroformo no pueden ser utilizadas
a gran escala (Oh et al., 2002). Algunas de las ventajas de utilizar tratamiento térmico y
acetileno como inhibidor de la metanogénesis son su relativo bajo costo y que no dejan
residuos en la biomasa.
Inhibidores específicos de la metanogénesis
Bromoetanosulfonato (BES)
El BES es un análogo estructural de la coenzima M que se encuentra en todos los
microorganismos metanogénicos pero no en Bacteria o Arquea (Balch y Wolfe, 1979).
Se han utilizado concentraciones altas, de 50 mM para inhibir cultivos mixtos (Zinder et
al., 1984).
Cloroformo (CHCl3)
El CHCl3 bloquea la función de las enzimas corrinoides (Chin y Conrad, 1995), no solo
inhibe la metanogénesis sino que también inhibe parcialmente la reducción de sulfato
dependiente de acetato y quizá la homo acetogénesis dependiente de H2 (Chidthaisong,
2000).
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Lumazina
La peptirin lumazina [2-4-(1H,3H) peptiridiona] es una análogo estructural de partes de
folatos y flavinas (Blakely, 1979) y de algunos cofactores de la metanogénesis
(metanopeptirina y sus formas reducidas: deazaflavina F420; Ferry 1993). Se ha
observado que a concentraciones ≤ 0.6 mM se inhibe completamente el crecimiento
de algunas arqueas metanogénicas, pero no inhibe el crecimiento de arqueas no
metanogénicas, algunas bacterias y microorganismos eucariotes (Nagar-Anthal et al.,
1996).
Otros inhibidores de la metanogénesis
pH
El pH en el ambiente tiene efectos en actividades vitales de los microorganismos ya que
conduce al cambio de la carga de la membrana celular influenciando posteriormente la
ingestión de sustancias nutritivas, además de que influencia la actividad enzimática
durante los procesos metabólicos. El pH interfiere en los productos de fermentación y
es un factor ecológico importante que influencia a las bacterias durante la producción
fermentativa de hidrógeno, afectando la producción de hidrógeno, el contenido de
biogás, tipo de ácidos orgánicos producidos y la velocidad específica de producción de
hidrógeno (Feng Li Y., et al. 2006).
En la digestión anaerobia la inhibición de la metanogénesis se lleva a cabo a pH
menores de 6.5. Se han realizado diversos estudios para conocer el pH óptimo para la
producción de H2, el valor de pH óptimo varía de acuerdo al tipo de fermentación (lote o
continuo). Para la fermentación en continuo en fase líquida se ha encontrado un pH
óptimo de 5.5-5.6 (Fang et al., 2004; Lay et al., 1999). El pH óptimo inicial reportado en
fermentación en lote es de 9 (Lay et al.,1999), se observó que el pH inicial afecta la
extensión de la fase lag, cuando el pH inicial es alto disminuye el tiempo lag en
comparación a pH iniciales bajos ( 4.0-4.5). En el estudio realizado por Fang et al., 2006
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se observó que la diversidad microbiana también se ve afectada por el pH del medio, y
se incrementa a la vez que lo hace el pH.
Acetileno
El acetileno es un gas incoloro e inoloro en su estado puro mientras que en su forma
comercial tiene un olor característico (ajo). Su composición química C2 H2 es la más
simple de los compuestos orgánicos no saturados y se compone de 7.04% de
hidrógeno y 92.96% de carbono en peso.
El acetileno inhibe el crecimiento, la síntesis de metano en los microorganismos
metanogénicos y en general resulta en un declive de las funciones en los metanógenos
que requieren de un flujo de H+ (incluyendo la síntesis de ATP; Sprott et al., 1982),
también inhibe a la enzima hidrogenasa en algunos microorganismos anaerobios
(Sparling et al., 1997). En el estudio de Sparling et al. (1997) se comparó la producción
de H2 utilizando como inhibidor de la metanogénesis acetileno y BES, teniendo mayor
producción con acetileno (1% v/v) que con BES (25mM). Posteriormente se realizó la
comparación entre la producción de H2 obtenida utilizando acetileno y tratamiento
térmico, observándose que en promedio el uso de acetileno favorece en un 20% la
producción de H2 máxima, así como tiempos de retardo para la producción deH2.
Tratamiento térmico
El tratamiento térmico consiste en calentar el inóculo a altas temperaturas durante un
tiempo determinado. La temperatura y el tiempo de calentamiento del inóculo ha sido
muy variada, por ejemplo, Logan et al. (2002) calentó el inóculo a 104 ºC durante 2
horas mientras Lay et al. (1999) lo hirvió durante 15 minutos.
Cuando se aplica un tratamiento térmico lo que se hace es seleccionar el inóculo
con bacterias capaces de esporular, entre las que se encuentran algunas productoras
de hidrógeno p.ej. Clostridia (Chen et al., 2002; Hawkes et al., 2002) ya que elimina a
aquellas que no tienen la capacidad de esporular como lo son las metanoarqueas
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(consumidoras de hidrógeno) y las bacterias del ácido láctico las cuales producen
sustancias que perjudican a las bacterias productoras de hidrógeno (Lin y Lay 2004,
Logan et al., 2002; Noike et al., 2002; Oh, 2003; Van Ginkel y Sung 2001).
Inhibición de la producción de hidrógeno por producto
La acumulación de hidrógeno y de otros productos de degradación (ácidos orgánicos
volátiles) durante la fermentación puede hacer la reacción hidrógeno - acetato,
hidrógeno - butirato (ecuaciones 2 y 3) desfavorables dirigiendo la fermentación a la
producción de solventes.
22326126 422 HCOCOOHCHOHOHC ++→+ [3]
2222326126 22 HCOCOOHCHCHCHOHOHC ++→+ [4]
De igual forma, la sobre acumulación de hidrógeno disuelto en la fase líquida y altas
presiones parciales pueden inhibir la producción de hidrógeno (Logan et al., 2002). Se
ha demostrado que la disminución del hidrógeno disuelto través del gaseado con
nitrógeno da resulta en un incremento del 68% en la producción de hidrógeno en un
reactor operado con microflora mixta enriquecida con 10g/l glucosa- sales minerales, a
pH 6.0 y 8.5 h de tiempo hidráulico de retención (Mizuno et al., 2000).
PRODUCCIÓN DE H2 EN FERMENTACIÓN EN FASE SÓLIDA
La mayoría de los estudios de producción de H2 se han realizado utilizando
fermentación en fase líquida, debido principalmente a la mayor facilidad de manejo que
presentan estas respecto a la fermentación en fase sólida. El uso de fermentación en
fase sólida puede ser una alternativa para la co-estabilización de lodos de plantas de
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tratamiento de agua residual y residuos sólidos municipales e industriales (Poggi-
Varaldo et al, 1997).
En México existe un problema de manejo y disposición de los residuos sólidos ya
que se producen 50 000 ton/día de desechos sólidos municipales y 400 ton/día de
desechos sólidos industriales (Poggi-Varaldo, et al.; 2007) y cada vez son menos los
lugares en los que se pueden disponer. Al acoplar la producción de H2 con el
tratamiento de residuos orgánicos tanto municipales como industriales (Poggi-Varaldo
et al., 1997; Valdés, 1997; Lay et al., 1999; Valdez-Vazquez, 2006; Fang et al., 2006;
Muñoz-Páez et al.; 2007b) se estaría ayudando a solucionar este problema. La
fermentación puede realizarse tanto en estado líquido utilizando agua residual como
sustrato (Mizuno et al., 2000; Van Ginkel et al., 2005; Mohan et al. 2007) como en
estado sólido.
Existen pocos estudios referentes a la fermentación en estado sólido, en estos
estudios se ha utilizado como sustrato a la fracción orgánica de residuos sólidos
urbanos (FORSU) para la producción fermentativa de hidrógeno en lote y en semi-
continuo (Valdez-Vazquez et al., 2006a y Valdez-Vazquez et al., 2006b). En la
fermentación en lote se ha observado que las altas concentraciones de H2 acumulado
en el espacio gaseoso puede ocasionar la inhibición de la producción de H2, para evitar
la inhibición se ha empleado la fermentación anaerobia en estado sólido generadora de
hidrógeno con venteo intermitente (FASSH-VI, Valdez-Vázquez, 2007) y actualmente se
está investigando la producción en estado sólido utilizando como sustrato residuos
sólidos industriales provenientes de la producción de jugos (Muñoz-Páez et al., 2007).
PERSPECTIVAS DE LA PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE H2
Se puede generar H2 a partir de acetato usando una celda microbiana de combustible
(Logan y Grot, 2006). El sistema puede usar agua residual del proceso de comida (alto
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en azúcar) para la producción de H2 o electricidad (Liu et al., 2005: Oh y Logan, 2005.
Una celda de combustible de este tipo es un sistema que conduce e- producidos
durante el metabolismo microbiano hacia la generación de electricidad. Mediante el
aumento del potencial del cátodo (electroquímicamente) en el circuito, H+ y e-
producidos por la bacteria pueden dirigirse a la producción de H2. (Logan y Grot, 2006).
De igual forma se están realizando estudios acerca de la producción de H2
utilizando células inmovilizadas. Se ha inmovilizado lodos activados en polimetil
metacrilato (PMMA), colágeno y carbón activado; obteniendo la mayor producción de H2
con AMP (2.25 mol H2/ mol sacarosa) a pH 6.0 e incubado a 35°C (Wu y Chang, 2007).
Los resultados obtenidos sugieren que el uso de células inmovilizadas tiene potencial
para ser utilizado en la producción de H2.
Una manera de hacer más eficiente la producción de H2 es a través de la
combinación de los diversos procesos biológicos. En la fermentación oscura en sustrato
sólido se genera metabolitos orgánicos presentes en los sólidos gastados (purga del
proceso), la purga del proceso puede utilizarse para producir metano y los sólidos
resultantes de esta digestión anaerobia metanogénica ser convertidos a fertilizantes
después de un post-tratamiento (Escamilla y Poggi-Varaldo, 2007). Los extractos de los
sólidos gastados pueden utilizarse para la producción de más H2 a través de la
hidrogenogénesis fotoheterotrófica (Acevedo- Benítez, 2007) o para producir energía
eléctrica a través de celdas de combustible microbiana (Carmona-Martínez et al., 2007).
NOTACIÓN
BES ___ Bromoetanosulfonato
CoA ___ Coenzima A
Fd ___ Ferredoxin
FORSU ___ Fracción orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos
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FASSH-VI Fermentación Anaerobia en Sustrato Sólido generadora de Hidrógeno
con Venteo Intermitente
PMMA ___ Polimetil metacrilato
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ENERGÍA ELÉCTRICA DIRECTA DE RESIDUALES LÍQUIDOS ORGÁNICOS UTILIZANDO PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: AVANCES Y
PERSPECTIVAS
Alessandro Alfredo Carmona-Martínez (1); Héctor M. Poggi-Varaldo (1)*;
Omar Solorza-Feria (2)
(1) CINVESTAV-IPN, Grupo de Biotecnología Ambiental y Energías Renovables
Biológicas, Depto. Biotecnología y Bioingeniería, Centro de Investigación y de Estudios
Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Apdo. Postal 14-740, México DF, 07000,
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utilizados como catalizadores en celdas de combustible microbianas por materiales de
origen biológico que actúen como catalizadores finales del sistema o los también
denominados cátodos biológicos. Finalmente es necesario enfatizar la importancia de
ahondar en el conocimiento electroquímico, del proceso, y también del funcionamiento y
caráctersticas biológicas de las CCM procurando dilucidar la identidad de los
microorganismos responsables de su funcionamiento y aprovechar en su totalidad los
procesos de transferencia de electrones como conversión de sustrato en electricidad en
beneficio de la aplicación práctica pronta de este tipo de sistemas.
ABSTRACT In this work, a review on critical issues and applications of microbial fuel cells (MFC) is
presented. From this review, it can be concluded that current research on MFC is mainly
focused on: (i) lab scale equipment and experiments, (ii) the use of pure cultures
whereas little is known on MFC operated with microbial consortia, (iii) the conversion of
model substrates such as glucose whereas less is known on the reclaiming of actual
effluents, (iv) experiments demonstrating the long term, efficient operation of MFC are
scarce, in contrast, most experiments are batch and short term. We have identified the
following future research areas: (i) new materials for electrodes and connections that
allow for higher current densities of the MFC, (ii) to gain a deeper insight on the
microbial agents in MFC, particularly in those operated with undefined consortia; this
knowledge would allow for identification of the most efficient strains and the design of
bioaugmentation strategies, etc.; (iii) the need for pilot and demonstration experiments,
with emphasis in the new engineering challenges that size increase and interconnection
of MFC will pose, (iv) the need for demonstrating the long term and continuous
successful operation of MFC, and particularly, the processing of actual effluents. To a
great extent, the advances in these areas will determine the feasibility of MFCs.
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CONTROVERSIA EN EL USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES
Para satisfacer sus necesidades, la humanidad ha utilizado diversos combustibles que
le provean de la energía necesaria para comunicarse, iluminar sus hogares, producir
alimentos y transportarse. El uso de los combustibles ha sido muy diverso (Fig. 1),
desde madera y carbón, hasta petróleo y gas natural. Debido a éstos últimos, las
sociedades del siglo XX son llamadas correctamente “sociedades de hidrocarburos”
utilizando diez veces más energía que en el siglo XIX (Dunn, 2002). Este aumento de la
demanda fue satisfecho principalmente por combustibles fósiles (90% del mercado
mundial). Se espera que el uso de carbón y petróleo aumente en un 30 y 40 %
respectivamente (McNeill, 2000).
Figura 1: Transición global de los sistemas energéticos. Adaptado de Dunn, 2002.
CONTAMINACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE
Los combustibles fósiles además de ser no renovables, generan durante su combustión
gases nocivos para el medio ambiente y la salud humana, como son NOx, SOx y COx,
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por mencionar algunos (Das y Vezirolu, 2001; Yue et al., 2001). Si su uso continua
aumentando, los problemas de contaminación del aire en las ciudades lo harán
también. Por ejemplo Delhi, Beijing, y la ciudad de México por mencionar algunas, son
urbes que experimentan miles de muertes al año relacionadas con la calidad del aire
(McKinley et al, 2003). Aunado a lo anterior; el uso de petróleo y carbón en el sector
eléctrico y de transporte, incrementará anualmente las emisiones globales de CO2,
como se puede ver en la Fig. 2, la tendencia pronosticada es de 7100 a 8100 millones
de toneladas por año para el 2015 (Protocolo de Kyoto, 1997), acelerando así el cambio
climático (Dunn, 2002). Es por eso que el desarrollo de nuevas alternativas energéticas
es un tema preponderante (Dincer, 2000).
Figura 2: Proyección de las emisiones de CO2 para el año 2010. Adaptado del
Protocolo de Kyoto, 1997.
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NUEVAS ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS
Dentro del desarrollo de alternativas energéticas renovables y sostenibles, es posible
mencionar a la energía solar, eólica, hidráulica y aquella que puede ser obtenida a partir
de biomasa, dentro de la cual se encuentran los llamados combustibles no
convencionales, como metanol, etanol o biogás (Elam, 2001; Wünschiers y Lindbland,
2002). Sin embargo, la energía solar y eólica, por ejemplo, están restringidas para
ciertas localidades que cuenten con áreas “ricas” en sol y corrientes de viento, lo cual
las limita a ser intermitentes (Elam et al., 2003). Por otro lado, la energía obtenida a
partir de biomasa representa una fuente de obtención renovable y sostenible a futuro.
Por ejemplo, el tratamiento de residuales municipales mediante procesos
anaerobios genera biogás como combustible que con algunas modificaciones del
proceso se obtienen cantidades importantes de H2 (Valdez-Vazquez et al., 2006b;
Valdez-Vazquez et al., 2006a; Valdez-Vazquez et al., 2005b; Valdez-Vazquez et al.,
2005a). Este último conocido por ser un combustible ambientalmente amigable (Lay et
al., 2003), debido a su carencia de átomos de carbono u otros elementos precursores
de contaminantes en su molécula (Fig. 3). Como una alternativa adicional la obtención
de energía eléctrica se presenta como una tecnología atractiva e innovadora mediante
la cual materia orgánica soluble genera una diferencia de potencial generando
traduciéndose en corriente eléctrica.
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Figura 3: Estructura molecular de diversos tipos de combustibles. Adaptado de Dunn,
2002.
PRINCIPIO DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA
Las celdas de combustible microbianas (CCM) se han utilizado experimentalmente para
el tratamiento de aguas residuales municipales principalmente (He et al., 2005; Liu et
al., 2004), sin embargo cabe destacar la utilización de este tipo de sistemas en la
generación de electricidad en sedimentos marinos o de origen lagunar como una
aplicación tecnológica para comunidades distantes al suministro de energía (Bond et al.,
2002; Holmes et al., 2005). El objetivo principal en tales tecnologías ha sido la
obtención de energía en forma de electricidad o hidrógeno, con la adicional disminución
de la demanda química de oxígeno (Park y Zeikus, 2000; Kim y Logan, 2005; Rabaey et
al., 2003).
El proceso global se desarrolla en la CCM compuesta de dos cámaras separadas
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por una membrana polimérica, la cual es permeable al paso de protones. La Fig. 4
muestra éste proceso, en la primera cámara se encuentra el ánodo, el cual captura los
electrones liberados en el medio como consecuencia de la degradación de la materia
orgánica (Kim et al., 2005; Liu et al., 2005 B; Rhoads et al., 2005). Estos electrones que
se generan, fluyen hacia el cátodo a través de un circuito externo a la celda, lo que
permite la generación de corriente eléctrica. Por otro lado, los protones pasan a través
del polímero permeable. Una vez dentro de la cámara catódica, los protones reaccionan
con electrones y oxígeno contenido en el aire asperjado al medio para formar agua
(Chang et al., 2005; Liu et al., 2005a: Logan et al., 2005; Min y Logan, 2004).
Figura 4: Principio de una CCM de doble cámara. Adaptado de Carmona-Martínez et
al., 2006 a.
Por otro lado, existe una configuración considerada novedosa, en la cual el oxígeno que
es necesario en el cátodo, se suministra mediante convección natural (Fig. 5). Esto
gracias a que el cátodo se encuentra en contacto directo con el ambiente, evitando de
esta forma asperjar aire al medio o mejor aún suministrar aire u oxígeno puro al sistema
como en el caso de las celdas electroquímicas de H2 convencionales (Kim et al., 2007;
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Logan et al., 2006; Logan y Regan, 2006; Oh y Logan, 2006; Logan, 2005).
Figura 5: Principio de una CCM de una sola cámara. Adaptado de Schröder, 2007.
INÓCULOS UTILIZADOS
La Tabla 1 muestra una compilación de diversos trabajos en el área de CCM´s. Los
estudios con cultivos puros parecen predominar (miembros de la familia
proteobacteriana Geobactereace), aunque hay algunos estudios recientes donde
consorcios microbianos como aquellos presentes en aguas residuales son utilizados
como inóculos (Fig. 6).
La razón de utilizar cultivos puros en vez de consorcios microbianos ha sido
principalmente la ventaja que representa estudiar CCM’s con biocatalizadores en los
cuales un modelo predecible puede obtenerse acerca de cómo la transferencia de
electrones es llevada a cabo (Hernandez and Newman, 2001). Por ejemplo, se ha
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propuesto que diversas especies del género Geobacter y Shewanella pueden liberara
electrones al ánodo a través de acarreadores ya sea producidos por los mismos
microorganismos o suministrados artificialmente. De estos últimos se desprenden desde
compuestos pequeños como la antroquinona 2, 6-disulfo hasta compuestos orgánicos
complejos como las sustancias húmicas. En este sentido Bond y Lovley (2002)
utilizaron para su estudio Geobacter sulfurreducens (ATCC 51573) en un medio con la
siguiente composición (por litro): 0.1 g de KCl, 0.2 g de NH4Cl, 0.6 g de NaH2PO4, 10 ml
de mezcla de vitaminas y 10 ml de trazas de medio mineral. El pH del medio fue
ajustado a 6.8, 2 g de NaHCO3 fueron adicionados, y el medio fue gaseado con N2-CO2
(80:20) para remover el oxígeno antes de esterilizar el medio en frascos tapados.
Acetato fue utilizado como el donador de electrones (5 mM). Para mantener las células
viables, óxido de hierro (III) fue utilizado como aceptor de electrones antes de inocular
la celda (100-120 mM).
Las células entonces fueron transferidas a un medio que contenía 40 mM de
fumarato como el aceptor de electrones antes de ser inoculadas a las cámaras que
contenían los electrodos. El medio contenido en las cámaras fue modificado con 2.9 g
de NaCl. Cuando el medio fue reemplazado con una solución amortiguadora salina
anóxica en los experimentos del electrodo, la solución amortiguadora contenía (por litro)
lo siguiente: 0.1 g de KCl, 0.6 g de NaH2PO4, 2.9 g de NaCl, y 2 g de NaHCO3. En un
estudio realizado posteriormente, Bond y Lovley (2004) utilizaron el microorganismo
Geothrix fermentans. El microorganismo creció en un medio con acetato como el
donador de electrones y fumarato como el aceptor. Las células fueron recolectadas vía
centrifugación y resuspendidas en un volumen igual de medio carente de aceptores y
donadores de electrones. El medio en las cámaras fue idéntico al de crecimiento (Bond
y Lovley, 2002), sólo que fumarato fue omitido y 1mM de acetato fue adicionado como
el donador de electrones. La adición de propionato (5 mM), lactato (5 mM), o succinato
(5mM) resultó en mayores velocidades de producción de corriente que acetato.
Adicionalmente Chaudhuri y Lovley (2003) utilizaron una cepa de Rhodoferax
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ferrireducens en un medio compuesto por Glucosa (2mM) en el medio anódico, la cual
fue consumida permitió la producción de corriente y el crecimiento de Rhodoferax
ferrireducens. Una vez que la generación de corriente se estabilizó, un 10% del inóculo
de la cámara anódica fue transferido a una nueva cámara. La corriente continuó siendo
producida mientras que la glucosa fue consumida. La producción de corriente fue
asociada al crecimiento celular, y demostrado por un incremento en la proteína celular
microbiana en el medio después del tiempo.
Con respecto a consorcios de microorganismos utilizados como inóculos, He et
al. (2005) usaron un inóculo obtenido de lodo anaerobio granular de un biodigestor
anaerobio de flujo ascendente mesofílico, el cual trataba agua residual de una
cervecería (Fig. 6B). Antes de la inoculación, el lodo fue molido y entonces filtrado a
través de un poro de 0.25mm de amplitud para remover las partículas grandes. La celda
fue alimentada con una solución de sacarosa como el donador de electrones, mientras
tanto, la CCM de flujo ascendente generó electricidad con un máximo de densidad de
poder de 170 mW/m2. Adicionaron un acarreador de electrones, el cual fue
hexacianoferrato en la cámara catódica. La CCM fue operado a 35 ºC y continuamente
alimentada a un flujo de 0.37 mL/min con una solución de sacarosa a un tiempo de
retención hidráulica o de 1.0 y una tasa de alimentación de 0.3-3.4 g DQO/L/día.
Holmes et al. (2004), Trabajaron con una CCM que contenía al microorganismo
Geopsychrobacter electrodiphilus (Fig. 6F). En su estudio, concluyeron que los
donadores de electrones podrían ser acetato o benzoato. También determinaron que
los aceptores de electrones podrían ser óxido de hierro (III) cristalino, pirofosfato,
pirofosfato de hierro (III) y óxido de hierro (III). Kim y Logan (2005) como fuente de
microorganismos, utilizaron como inóculo lodo anaerobio (10 mL). El medio de la CCM
fue agua residual filtrada con el objetivo de remover las bacterias (0.2 μm el diámetro
del poro) la cual fue modificada con acetato (20 mM) y entonces usada como medio
enriquecido para los experimentos. Después de la modificación del medio, éste fue
modificado con una solución reguladora (pH=7.0), la cual contenía NH4Cl (0.31 g/l), KCl
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(0.13 g/l), NaH2PO4·H2O (2.69 g/l), Na2HPO4 (4.33 g/l); metales (12.5 ml) y solución de
vitaminas (12.5 ml).
Figura 6: Micrografías de organismos inoculados en CCM´s. Notas: A. Bond y Lovley. (2003). Appl Environ Microbiol. 69: 1548-1555. B. He et al. (2003). Environ. Sci. Technol. 39: 5262-5267. C. Carmona-Martínez et al. (2007). Proccedings 2nd Int. Workshop Biotech. . TL-27-EA. D. Pham et al. (2003). FEMS Microbiol. Lett. . 223: 129-134. E. Gregory et al. (2004). Environ Microbiol . 6: 596-604 F. Holmes et al. (2004). Appl Environ Microbiol. 70: 6023-6030.
DESEMPEÑO DEL PROCESO
Sobresale el uso de Pt como catalizador en la composición de electrodos y material
para conectar el circuito externo. Sin embargo, recientemente algunos trabajos
interesantes han propuesto la aplicación de cátodos biológicos (biocátodos) en vez de
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cátodos abióticos (He and Angenent, 2006). Adicionalmente existe también un gran
esfuerzo en la búsqueda de diferentes materiales a utilizarse en ánodos y cátodos que
demuestren un mejor desempeño (Niessen et al., 2004b; Zhao et al., 2007).
Además, estudios con sustratos sintéticos o semi-sintéticos predominan, como
glucosa, acetato o agua residual modificada. Con respecto al desempeño de la CCM,
un parámetro ampliamente utilizado ha sido el cálculo de la Densidad de Potencia la
cual es la Potencia normalizada de acuerdo al área del ánodo (Logan et al., 2006).
Antes del año 2002 existían solamente trabajos con densidades de potencia menores a
0.1 mW/m2, por otro lado en la actualidad existen reportes con densidades de potencia
del orden de 1000 mW/m2 (Logan and Regan, 2006 -Review-; Fig. 7). Esto representa
un avance importante en el mejoramiento de CCM’s, lo cual se ha traducido en la
construcción de un complejo de CCM´s a escala piloto en Yatala, Queensland, Australia
(http://www.microbialfuelcell.org/: Nota: revisar el área “Research - Publications -
Technology - Pilot MFC - News”).
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y CONDICIONES DE OPERACIÓN
Existe una mayoría de trabajos en los cuales se ha utilizado una CCM de dos cámaras,
como la mostrada en el esquema de la Fig. 4 y sólo a escala laboratorio (Tabla 1 y Fig.
8). Por ejemplo la Fig. 8A, B, E y F muestran diseños de CCM´s en los cuales la cámara
anódica y catódica se encuentran separadas por una Membrana de Intercambio
Protónico (PEM por sus siglas en inglés -Proton Exchange Membrane-), ya sea una
membrana Nación o una Ultrex CM1700 (Tabla 1).A diferencia de las configuraciones
de CCM´s existen algunos diseños en los cuales se utiliza cátodos aerobios que se
encuentran expuestos al ambiente para proveer a la CCM el oxígeno necesarios para
llevar a cabo la producción de agua (Fig. 8C y H).
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Tabla 2: Algunos trabajos publicados sobre CCM’s y sus especificaciones técnicas.
Acetato, propionato, malato, lactato y succinato [5mM]
Ot=960h N.M. Nafion 117
[2]
Cátodo concéntrico
G. metallireducens Agua residual T=30ºC;
HRT=33d
PAn=26 mW/m2;
ηCoul=12% Nafion 117
[3]
Doble cámara
R. ferrireducens Glucosa [2mM] 25ºC, Ot=1000h
Ian=30 mA/m-2 Nafion 117 [4]
Flujo ascendente
Lodo anaerobio Sacarosa [0.25-1.0 g/L]
T=35ºC; TRH=1d
PAn=170 mW/m2;
ηCoul=8,1% CMI-7000
[5]
Doble cámara
Lodo anaerobio Agua residual modificada
T=30ºC; Ot=50h
PAn=8 mW/m2;
ηCoul=40% Nafion 117
[6]
Una cámara
Lodo anaerobio Agua residual modificada con glucosa
T=30ºC; Ot=120h
PAn=262 mW/m2;
ηCoul=55% Nafion 117
[7]
Una cámara
Agua residual Agua residual modificada con acetato
T=32-20ºC
PAn=1200
mW/m2;
ηCoul=61,4%
Sin
membrana
[8]
Una cámara
Agua residual Agua residual modificada con butirato
Ot=60h PAn=500 mW/m2;
ηCoul=30%
Sin
membrana
[9]
Doble cámara
Sedimento marino
Acetato [0.1 mM]
22ºC, pH=6.8, Ot=1920h
N.M. Nafion 118 [10]
Notas: PAn: Densidad de Potencia; IAn= Densidad de Corriente; ηCoul: Eficiencia Coulombimétrica; N.M.: No mostrado; Ot=Tiempo de Operación de la celda; HRT: Tiempo de Retención Hidráulico. 1. Bond et al. (2002). Science. 295 (18): 483-485. 2. Bond y Lovley (2002). Environ. Microbiol. 4 (2): 115-124. 3. Liu et al. (2004). Environ. Sci. Technol. 38: 2281-2285. 4. Chaudhuri and Lovley. (2003). Nat. Biotechnol. 21 (10): 1229-1232. 5. He et al. (2003). Environ. Sci. Technol. 39: 5262-5267. 6. Kim et al. (2005). Appl. Microbiol. Biotechnol. 68: 23-30. 7. Liu and Logan. (2004). Environ. Sci. Technol. 38: 4040-4046. 8. Liu et al. (2005b). Environ. Sci. Technol. 39: 5488-5493. 9. Liu et al. (2005a). Environ. Sci. Technol. 39: 658-662. 10. Holmes et al. (2005). Appl. Environ. Microbiol. 70 (10): 6023-6030.
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Figura 7: Densidad de Potencia en base a datos actualmente publicados. Adaptado de
Logan y Reagan, 2006. PAn representa la densidad de potencia.
La CCM de la Fig. 8F muestra el trabajo publicado por Min y Logan (2004), en el
cual diseñaron una CCM de lámina que fue operada con flujo pistón, usando un sistema
combinado de electrodo/membrana de intercambio de protones (MIP). El digestor o
CCM consistió de un canal simple, formado entre dos láminas no conductivas,
separadas a la mitad por el montaje electrodo/MIP. Cada electrodo fue colocado en un
lado opuesto de la MIP, con el ánodo en contacto con una cámara que contenía la fase
líquida y el cátodo sólo en contacto con aire (Fig. 8F). Por otro lado, Min et al. (2005)
contruyeron una CCM constituida de dos frascos de 300 mL de capacidad con
electrodos de papel carbón (Fig. 8A). Los frascos se encontraban unidos mediante un
puente de vidrio que contenía la MIP sostenida por una abrazadera entre las terminales
del tubo de vidrio.
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Figura 8: Diferentes configuraciones de CCM´s. Notas: A. Min et al. (2005). Water Res. 39: 1675-1686. B. Rabaey et al. (2005). Environ. Sci. Technol. 39: 3401-3408. C. Carmona-Martínez et al. (2007d). Proceedings of the VI Congreso de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y las Terceras Jornadas Iberoamericanas de Pilas de Combustible e Hidrógeno.. D. Rosenbaum et al. (2005b). Environ. Sci. Technol. 39: 6328-6333. E. He et al. (2005). Environ. Sci. Technol. 39: 5262-5267. F. Min y Logan (2004). Environ. Sci. Technol. 38: 5809-5814. H. Rosenbaum et al. (2005a). Appl. Microbiol. Biotechnol. 68: 753-756. H. Liu et al. (2004). Environ. Sci. Technol. 38: 2281-2285.
Por su parte Liu y Logan (2004), examinaron la generación de energía en una CCM con
un cátodo en contacto con aire, la celda contenía electrodos de carbón en la presencia
y ausencia de una MIP polimérica similar a la CCM de la Fig. 8C. La CCM consistió de
un ánodo y un cátodo colocados en lados opuestos dentro de una cámara cilíndrica de
plástico de 4 cm de largo con 3 cm en su diámetro. Carmona-Martínez et al., (2007d)
evaluaron el desempeño de una CCM generadora de electricidad. La CCM estuvo
constituida por un ánodo (lámina perforada de acero inoxidable) y un cátodo aereado
por convección natural (igual al ánodo pero con inclusión de una Membrana Nafión 117
y papel carbón Toray con 0.5 mgPt/cm2), colocados a lados opuestos de una cámara
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cilíndrica de acrílico (4.9 cm de diámetro y 7.8 cm de largo). El área superficial del
ánodo por unidad de volumen fue de 12.82 m2/m3. Como fuente de biocatalizador se
utilizó ya sea la purga de un Reactor Inoculador Metanogénico o la purga de un Reactor
Inoculador Sulfato Reductor.
El sustrato tuvo una composición similar a los ácidos y solventes orgánicos
presentes en los residuales de la producción biológica de hidrógeno por fermentación
K2HPO4, 0.6g; NaCO3, 3.0; NH4Cl, 0.6. El pH inicial fue de 7.66 y al terminar el ensayo
fue de 8.32 después de ~50h de incubación (37°C). La CCM fue cargada con inóculo
proveniente de RI-CH4 o del RI-SR (~143 ml) y con ~7.0ml de Alimentación. El
potencial máximo para la CCM cargada con inóculo metanogénico fue de 0.26 V para
una resistencia de 33 kΩ. Mientras que para la CCM cargada con inóculo sulfato
reductor el valor máximo de ECCM fue de 0.48 V para una resistencia de 10 kΩ.. Por otro
lado, al analizar la corriente (ICCM), se presentó un máximo cuando ECCM también lo fue.
7.86x10-3 y 4.91x10-2 mA para la CCM cargada con inóculo metanogénico y sulfato
reductor, respectivamente. Se apreció que los parámetros analizados compartieron una
tendencia en decremento. Lo cual hablaría de disminución de sustrato debido a la
demanda de éste en el ánodo, donde se lleva a cabo más intensamente su conversión.
El máximo valor de Potencia se produjo cuando el Potencial y la Corriente así lo fueron.
La eficiencia de remoción de materia orgánica de la CCM fue del 25-50% para
ambos sistemas, lo cual habría sugerido el aumento en el tiempo de operación para
disminuir aún más el contenido de materia orgánica de la alimentación. Liu et al. (2004)
llevaron a cabo el estudio de la generación de energía usando una celda de
combustible microbiana de una sola cámara, la cual contenía ocho electrodos de grafito
(ánodos) y un solo cátodo aireado por convección natural. El sistema fue operado bajo
condiciones de flujo continuo con un efluente primario clarificado obtenido de una planta
local de tratamiento de agua (Figura 8H). Un diseño muy singular fue el que lograron
Rabaey et al. (2003). La CCM se constituyó de una cámara tubular que generaba
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grandes cantidades de energía usando una matriz de grafito granular como el ánodo y
solución de ferricianida como el cátodo. La CCM fue llenada con una MIP robusta, la
cual fue doblada y sellada mediante soldadura para proveer una estructura cilíndrica.
Dos tapones de vidrio, cada uno con una entrada y una salida, fueron insertados en
ambos lados del cilindro. Por último, He et al. (2005) diseñaron una CCM basándose en
un digestor de flujo ascendente. La celda, se constituyó de dos cámaras de vidrio con
un diámetro de 6cm. La cámara del cátodo se colocó en la parte superior del
dispositivo. Ambos, tanto la cámara anódica como la catódica, contenías carbón
granular como electrodos, el cual tenía una gran porosidad de tal manera que se
prevenía el atascamiento (Figura 8E).
CONCLUSIONES
Las celdas de combustible microbianas se plantean como una alternativa energética
que a la luz de los avances obtenidos por diversos grupos alrededor del mundo
(Estados Unidos, Alemania, Australia, Korea, etc.) podría satisfacer en un futuro no muy
lejano las necesidades de lugares específicos como plantas de tratamiento de aguas
residuales (haciéndolas autosustentables energéticamente hablando), localidades
rurales o inclusive dando tratamiento a residuales orgánicos provenientes de procesos
anaerobios para la obtención de biocombustibles (producción biológica de hidrógeno).
Aunado al punto anterior, el acercamiento de este tipo de tecnología dependerá en gran
medida en sustituir algunos materiales actualmente utilizados como catalizadores en
celdas de combustible microbianas por materiales de origen biológico que actúen como
catalizadores finales del sistema o los también denominados cátodos biológicos.
Finalmente es necesario enfatizar la importancia del conocimiento de las celdas de
combustible microbianas, no sólo electroquímico o del proceso, si no también desde un
enfoque biológico donde se conozca la identidad de los microorganismos responsables
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de su funcionamiento y se aprovechen en su totalidad los procesos de transferencia de
electrones como conversión de sustrato en electricidad en beneficio de la aplicación
práctica pronta de este tipo de sistemas. AGRADECIMIENTOS Se agradece la colaboración del personal del 1) Grupo de Biotecnología Ambiental (M.
en C. Rafael Hernández, Ing. Teresa Sánchez, Lic. David Portilla y al Biol. Héctor
Suárez); 2) Laboratorio de Química Analítica en Biotecnología (Profra. Elvira Ríos, IQ.
Cirino Rojas); 3) Grupo de H2 y Celdas de Combustible (Ing. Andrés Rodríguez; Ing.
Sebastián Citalán) y al 4) Grupo de Genómica Ambiental (Biol. Alberto Piña; C. Rodrigo
García), todos del CINVESTAV I.P.N. Así como al CONACYT por la Beca: 199930 para
Alessandro Alfredo Carmona-Martínez. REFERENCIAS Angenent L.; Karim K.; Al-Dahhan M.; Wrenn B.; Domíguez-Espinosa R. (2004). Production of bioenergy
and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends Biotechnol. 22(9): 477-485. Bond D.; Holmes D.; Tender L.; Lovley D. (2002). Electrode-Reducing Microorganisms that Harvest
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