Informe desde la India 0825

Los transistores electroquímicos orgánicos aumentan la sensibilidad de los sensores bioelectrónicos

Tanto los sistemas biológicos como los microelectrónicos dependen de los electrones para la transferencia de información y energía, pero su integración se enfrenta a retos debidos a las bajas corrientes microbianas y las incompatibilidades ambientales. Esta investigación presenta un gran avance en el campo de los sensores bioelectrónicos, al aumentar significativamente la sensibilidad de las pilas de combustible enzimáticas y microbianas mediante transistores electroquímicos orgánicos (OECT). Al amplificar las señales eléctricas en tres órdenes de magnitud, este método mejora la relación señal/ruido y permite utilizar biosensores de alta sensibilidad y bajo consumo para la vigilancia de la salud y el medio ambiente. En la Figura 1 se muestra un resumen gráfico.

Los biosensores tradicionales, que dependen de las interacciones directas entre las biomoléculas diana y el dispositivo sensor, suelen tener limitaciones en entornos electrolíticos incompatibles, por lo que diseñar sistemas de detección bioelectrónicos que mantengan su rendimiento en condiciones químicas variables supone un gran reto. Esta investigación sortea ese reto acoplando electrónicamente pilas de combustible con OECTs en lugar de introducir directamente biomoléculas en el sensor, lo que permite una funcionalidad más amplia. Al mantener separadas la OECT y la pila de combustible, se conservan las condiciones óptimas para ambos componentes, al tiempo que se consigue una potente amplificación de la señal. Las OECT son transistores de película delgada que funcionan en entornos acuosos y han llamado la atención por su alta sensibilidad y su funcionamiento a bajo voltaje. En esta investigación, los OECT se integraron con dos tipos de pilas de biocombustible -enzimáticas y microbianas- para mejorar su rendimiento. Las pilas de combustible enzimáticas utilizan glucosa deshidrogenasa para catalizar la oxidación de la glucosa y generar electricidad, mientras que las microbianas se basan en bacterias electroactivas para metabolizar sustratos orgánicos y producir corriente. A continuación, lasOECT se acoplaron a estas pilas de combustible en dos configuraciones distintas: una configuración cátodo-puerta y una configuración ánodo-puerta.Fig. 2: Estructura de las OECT acopladas a pilas de combustible biológicas: A) Esquema que ilustra el acoplamiento de la OECT con pilas de combustible enzimáticas (EFC) o pilas de combustible microbianas (MFC) para la amplificación de la señal, donde pequeñas corrientes de las pilas de combustible se traducen en cambios de corriente de la OECT significativamente mayores. B) Esquemas de las pilas de combustible EFC y MFC. C) Las OECT, polarizadas a través de una unidad de medida de la fuente (SMU), pueden configurarse en modo ánodo-puerta o cátodo-puerta con EFC o MFC.

Las OECT amplifican las señales de las pilas de biocombustible en factores que van de 1.000 a 7.000, superando con creces las técnicas electroquímicas tradicionales, que normalmente sólo consiguen mejoras de 10 a 100 veces. La configuración cátodo-puerta proporcionó la mayor amplificación, especialmente con un polímero específico como material de canal, mientras que la configuración ánodo-puerta también mostró una fuerte amplificación, pero se enfrentó a una degradación potencial a corrientes de pila de combustible más altas. Además de aumentar la intensidad de la señal, las OECT redujeron el ruido de fondo, con lo que se obtuvieron mediciones más claras y fiables. Incluso los cambios electroquímicos menores se traducían en señales grandes y detectables, lo que permitía una detección superior de biomoléculas y contaminantes. En la figura 2 se muestra la estructura de las OECT acopladas a pilas de combustible biológicas.

Esta tecnología escalable tiene amplias aplicaciones, demostradas por un sistema miniaturizado en un único portaobjetos de vidrio, lo que demuestra su viabilidad para biosensores portátiles. Uno de sus usos más prometedores es la detección de arsenito, una necesidad crítica para la seguridad del agua. El equipo de investigación diseñó E. coli con una vía de transferencia de electrones sensible al arsenito, lo que permite detectar concentraciones tan bajas como 0,1 micromoles por litro con una clara respuesta amplificada por OECT. Más allá de la seguridad del agua, este sistema tiene potencial para la vigilancia de la salud mediante dispositivos portátiles. Un sensor modular de lactato, que incorpora pilas de combustible microbianas y una configuración cátodo-puerta con Shewanella oneidensis MR-1, logró una amplificación de la señal de más de 1.000 veces. Convirtió con éxito señales de microamperios en salidas de miliamperios, ofreciendo una herramienta potente y eficaz para controlar la fatiga muscular en atletas, pacientes médicos y soldados sin necesidad de complejos componentes electrónicos.

Para optimizar el rendimiento es necesario comprender claramente la dinámica de potencia entre las OECT y las pilas de combustible. Los investigadores identificaron dos modos operativos clave: "power-mismatched", en el que la pila de combustible genera menos energía de la que necesita el OECT, lo que da lugar a una mayor sensibilidad pero funciona en condiciones cercanas al cortocircuito, y "power-matched", en el que la pila de combustible proporciona suficiente energía para obtener lecturas estables y precisas. El ajuste fino de estas interacciones permite diseñar sensores específicamente adaptados a aplicaciones de diagnóstico médico y control medioambiental.

R. Saxena; X. Zhang et al.: Amplification of enzymatic and microbial fuel cells using organic electrochemical transistors, Device, 3, nº 6, (2025) 100714. doi: 10.1016/j.device.2025.100714
https://www.cell.com/device/pdf/S2666-9986(25)00027-4.pdf

Producción ecológica de peróxido de hidrógeno a partir del aire mediante baterías de metal-aire

El peróxido de hidrógeno _(H2O2) se utiliza ampliamente como blanqueador, desinfectante y agente oxidante. Sin embargo, su producción industrial consume mucha energía y depende de catalizadores de metales raros y preciosos, lo que la hace costosa y poco respetuosa con el medio ambiente. Investigadores del Instituto Indio de Ciencias de Bengaluru (IISc-BLR), en la India, han desarrollado una estrategia de producción sostenible in situ utilizando una batería de Zn-aire y una célula fotoelectroquímica. El zinc es un elemento ampliamente disponible, utilizado históricamente y conocido por su asequibilidad y abundancia. En una pila de zinc-aire, el zinc sirve de ánodo (electrodo negativo) y el aire ambiente de cátodo (electrodo positivo). Durante la descarga, el oxígeno del aire se reduce en el cátodo, generando _H2O2. Este método no sólo genera _H2O2 de forma eficiente, sino que también permite la degradación simultánea de contaminantes industriales como los tintes tóxicos. El esquema que ilustra el funcionamiento de la batería de Zn-Aire y el proceso de degradación de tintes se presenta en la Figura 3.

La reducción electroquímica del oxígeno en el cátodo puede producirse por dos vías: una conduce a la formación de H₂O₂ y la otra a la formación de agua. Controlar esta reacción es clave para maximizar la selectividad _{del H2O2}, lo que se consigue mediante modificaciones químicas en catalizadores de carbono sin metales. Al ajustar con precisión el voltaje, el sistema da prioridad a la producción de _H2O2 al tiempo que almacena energía eléctrica dentro de la batería.

Fig. 3: Esquema de funcionamiento de la batería de Zn-Aire y degradación del colorante [D.S. Jhawar].

Utilizando un electrocatalizador@cátodo de aire de óxido de grafeno reducido (rGO) producido de forma óptima, el sistema Zn-aire alcanza una impresionante densidad de potencia de 320 ^W/mgeo2 (geo = área geométrica) y una elevada tasa de producción de _H2O2 de 3,17 ^mol/mgeo2/h a 0,8 V. Las investigaciones sistemáticas revelan que grupos funcionales específicos (C-O-C, _O2 quimisorbida, C≐C) mejoran el rendimiento de _H2O2. Los superóxidos generados in situ (O2˙) y los radicales hidroxilo (˙OH) degradan eficientemente la rodamina B, un contaminante textil modelo, dentro de la célula de Zn-aire.

Paralelamente, el mismo catalizador rGO funciona como fotoelectrodo en una célula de tipo H, aumentando significativamente la producción de _H2O2 bajo luz visible. Esta configuración permite degradar los contaminantes cinco veces más rápido que en la célula Zn-aire al mismo potencial de funcionamiento (0,8 V). Como _{el H2O2} es incoloro, su presencia se confirma introduciendo un colorante textil contaminante que se degrada al reaccionar, lo que indica visualmente que se ha generado _H2O2.

A pesar de la complejidad de las pilas de metal-aire, en las que intervienen fases sólidas, líquidas y gaseosas, los investigadores creen que esta estrategia es escalable y prometedora para aplicaciones más amplias, como la generación de electricidad en lugares remotos. Al integrar la electrosíntesis con la remediación medioambiental, este método ofrece una alternativa de bajo coste, energéticamente eficiente y sostenible para la producción de _H2O2.

A.Behera; A.J. Bhattacharyya: Employing a Zn-air/photo-electrochemical cell for in situ generation of_H2O2 for onsite control of pollutants, Small Methods, 9, no. 4 (2025) 2401539. doi: 10.1002/smtd.202401539

Derivados de tetraona de pireno para baterías de flujo orgánicas acuosas de larga duración

Las moléculas de transferencia multielectrónica ofrecen un gran potencial para aumentar la densidad energética y reducir los costes de las pilas de flujo orgánicas acuosas (AOFB). Sin embargo, el aumento de los sitios redox activos mediante la conjugación ampliada suele reducir la polaridad molecular, lo que limita la solubilidad en electrolitos. Para solucionar este problema, los investigadores diseñaron un monómero asimétrico de pireno-4,5,9,10-tetraona-1-sulfonato (PTO-PTS) mediante una reacción de oxidación-sulfonación acoplada. Este derivado altamente soluble en agua almacena reversiblemente cuatro electrones, alcanzando una concentración teórica de electrones de 4M y estabilizando un radical libre semiquinónico intermedio. La estructura conjugada ampliada permite la transferencia reversible de cuatroelectronesa través del tautomerismo de enolización, mientras que el grupo ácido sulfónico aumenta la densidad de carga y el enlace de hidrógeno, mejorando la solubilidad. En la Figura 4 se presenta una ilustración gráfica.

Aplicado a AOFBs, el PTO-PTS alcanzó una capacidad volumétrica ultra alta de ~90 Ah/L y una densidad energética de 60 Wh/L. Estas baterías demostraron una retención de capacidad de casi el 100% a lo largo de 5.200 ciclos en aire, lo que indica una excelente estabilidad a largo plazo. Además, la estabilidad de la estructura a altas temperaturas permitió que tanto las celdas simétricas como las completas mantuvieran su rendimiento durante miles de ciclos a 60 °C, con una durabilidad de ~1.500 horas en un amplio rango de temperaturas (10-60 °C). El excepcional rendimiento de la célula y la estabilidad térmica de la PTO-PTS ponen de manifiesto su potencial para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala.

El excepcional rendimiento de las células y la estabilidad térmica de la PTO-PTS subrayan su potencial para el almacenamiento de energía a gran escala. Los AOFB son prometedores para la integración de energías renovables y el almacenamiento en red debido a su seguridad inherente y a la disponibilidad de moléculas orgánicas redox-activas (ORAM) abundantes y sintonizables. Sin embargo, su comercialización se ve dificultada por la baja densidad energética, la escasa estabilidad a altas concentraciones y los elevados costes de síntesis. Mejorar las ORAM para conseguir una alta densidad energética y ciclos ultraestables es crucial para avanzar en el almacenamiento estacionario de energía. Aumentar la transferencia de electrones puede mejorar la densidad energética y reducir los costes de los electrolitos, pero las ORAM de transferencia multielectrónica a menudo se enfrentan a la disyuntiva entre estabilidad y solubilidad.

G. Ge; C. Mu et al: Four-elec-tron-transferred pyrene-4,5,9,10-tetraone derivatives enabled high-energy-density aqueous organic flow batteries, J. Amer. Chem. Soc., 147, nº 6 (2025) 4790-4799. doi: 10.1021/jacs.4c12506

Producción sostenible de hidrógeno verde a partir de luz solar y agua de mar

El hidrógeno verde, producido por electrólisis del agua alimentada por energías renovables, es vital para descarbonizar sectores difíciles de eliminar. Sin embargo, su escalabilidad está limitada por la necesidad de grandes volúmenes de agua limpia (unos 9 kg por kg de hidrógeno), lo que agrava la escasez mundial de agua. Un sistema híbrido de destilación solar y electrólisis del agua (HSD-WE) resuelve este problema utilizando agua de mar y luz solar. Combina los efectos fotovoltaico (FV) y fototérmico (FT): los fotones de alta energía generan electricidad para la electrólisis, mientras que la energía solar restante impulsa la destilación térmica interfacial (Fig. 5). El calor residual del panel fotovoltaico purifica el agua in situ, reduciendo el ensuciamiento y la corrosión de los electrodos sin aporte adicional de energía.

Fig. 5: Producción ecológica de hidrógeno a partir de agua de mar con energía solar. a) Utilización de todo el espectro, b) Esquema del dispositivo híbrido de destilación solar y electrólisis del agua (HSD-WE).

Probado en condiciones reales de agua de mar y luz solar, el sistema alcanza más de un 12 % de eficiencia solar-hidrógeno, produciendo 35,9 L ^{m-2 h-1} de hidrógeno y 1,2 L ^{m-2 h-1} de agua limpia. Su funcionamiento pasivo, los materiales de bajo coste, la refrigeración fotovoltaica integrada y el rechazo de sales mejoran tanto el rendimiento como la viabilidad económica. Este método ofrece una solución escalable y sostenible para la producción de hidrógeno en zonas con escasez de agua y sin conexión a la red.

Wang, X; Gao, J. et al.: Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater, Energy Environ. Sci.,18, no.11 (2025) 5264-5276. doi:10.1039/D4EE06203E