El grafeno dopado con nitrógeno y aumentado con átomos de cobalto ha demostrado ser un catalizador efectivo y duradero para la producción de hidrógeno a partir del agua, según los científicos de la Universidad de Rice.
El laboratorio de Rice del químico James Tour y sus colegas de la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Texas en San Antonio y la Universidad de Houston han informado sobre el desarrollo de un catalizador sólido y de estado sólido que promete reemplazar el costoso platino porgeneración de hidrógeno.
Los catalizadores pueden dividir el agua en sus átomos constituyentes de hidrógeno y oxígeno, un proceso requerido para las celdas de combustible. El último descubrimiento, detallado en Comunicaciones de la naturaleza , es un paso significativo hacia catalizadores de bajo costo para la producción de energía, según los investigadores.
"Lo único de este artículo es que no mostramos el uso de partículas metálicas, ni el uso de nanopartículas metálicas, sino el uso de átomos", dijo Tour. "Las partículas que realizan esta química son tan pequeñas como sea posible"
Incluso las partículas en la nanoescala funcionan solo en la superficie, dijo. "Hay tantos átomos dentro de la nanopartícula que nunca hacen nada. Pero en nuestro proceso los átomos que impulsan la catálisis no tienen átomos metálicos al lado de ellos. Estamos obteniendocon muy poco cobalto para hacer un catalizador que casi coincida con los mejores catalizadores de platino ". En las pruebas de comparación, dijo que el nuevo material casi iguala la eficiencia del platino para comenzar a reaccionar a un voltaje de inicio bajo, la cantidad de electricidad que necesita para comenzar a separar el aguaen hidrógeno y oxígeno.
El nuevo catalizador se mezcla como una solución y se puede reducir a un material similar al papel o se puede usar como un recubrimiento de superficie. Haga un recorrido por dichos catalizadores de un solo átomo que se han realizado en líquidos, pero rara vez en una superficie ". De esta manera podemosconstruir electrodos fuera de él ", dijo." Debería ser fácil de integrar en los dispositivos "
Los investigadores descubrieron que el tratamiento térmico con óxido de grafeno y pequeñas cantidades de sales de cobalto en un entorno gaseoso obligaron a los átomos individuales de cobalto a unirse al material.
Las imágenes del microscopio electrónico mostraron átomos de cobalto ampliamente dispersos en todas las muestras.
Probaron el grafeno dopado con nitrógeno por sí mismos y descubrieron que carecía de la capacidad de poner en marcha el proceso catalítico. Pero agregar cobalto en cantidades muy pequeñas aumentó significativamente su capacidad de dividir el agua ácida o básica.
"Este es un material de alto rendimiento", dijo Tour. Observó que los catalizadores de platino y carbono todavía tienen el voltaje de inicio más bajo. "Sin duda, son los mejores. Pero esto es muy cercano y mucho más fácil de usar".producir y cientos de veces menos costoso "
El grafeno de espesor de átomo es el sustrato ideal, dijo Tour, debido a su gran área de superficie, estabilidad en condiciones de operación adversas y alta conductividad. Las muestras del nuevo catalizador mostraron una disminución insignificante en la actividad después de 10 horas de estudios de degradación acelerada en ellaboratorio.
Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Huilong Fei y Gonglan Ye, el investigador postdoctoral Nam Dong Kim, los ex alumnos Errol Samuel y Zhiwei Peng, y Pulickel Ajayan, presidente del Departamento de Ciencia de Materiales y NanoEngineering, Benjamin M. yMary Greenwood Anderson, profesora de ingeniería y profesora de química en Rice; Juncai Dong y Dongliang Chen, del Centro de Radiación Sincrotrón de Beijing en la Academia de Ciencias de China, Beijing; investigador asociado M. Josefina Arellano-Jiménez y José Yacamán, presidente del Departamentode Física, en la Universidad de Texas en San Antonio, y los estudiantes de posgrado Zhuan Zhu y Fan Qin y Jiming Bao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, en la Universidad de Houston.
Tour es la Cátedra TT y WF Chao en Química, así como profesor de ciencias de los materiales y nanoingeniería y de informática.
La investigación fue financiada por la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el Instituto Nacional de Salud de las Minorías y las Disparidades de Salud de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Welch y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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