Química en vivo: utilizando un microscopio de túnel de barrido, los investigadores de la Universidad Técnica de Munich TUM pudieron presenciar por primera vez en detalle la actividad de los catalizadores durante una reacción electroquímica. Las mediciones muestran cómo la estructura de la superficiede los catalizadores influye en su actividad. El nuevo método de análisis ahora se puede utilizar para mejorar los catalizadores para la industria electroquímica.
Sin transición energética sin catalizadores: por sí solos, los procesos químicos necesarios para fabricar gas hidrógeno utilizando electricidad, para volver a convertir el hidrógeno en energía eléctrica en celdas de combustible, o para convertir el dióxido de carbono en combustible tienen lugar demasiado lentamente para serde uso práctico. Los catalizadores aceleran la reacción sin ser usados ellos mismos.
"Los catalizadores son de enorme importancia para la industria. Por lo tanto, la industria tiene un gran interés en mejorar aún más los materiales para aumentar la eficiencia de los procesos", explica Aliaksandr Bandarenka, profesor de Física de Conversión y Almacenamiento de Energía enel TUM.
Trabajando junto con su equipo, el químico ahora ha proporcionado un requisito previo crucial para hacerlo: por primera vez, se ha utilizado con éxito un microscopio de túnel de exploración para examinar la superficie durante un proceso catalítico. De esta manera, fue posibledeterminar en detalle los lugares en los que la velocidad de reacción y, por lo tanto, la actividad de los catalizadores es la más alta. Los hallazgos han sido publicados en la revista Naturaleza .
En la búsqueda de centros activos
Durante mucho tiempo, los investigadores sospechan que existe una relación entre la estructura de la superficie y la actividad de los catalizadores heterogéneos, donde las reacciones químicas tienen lugar en la superficie límite entre un sólido y un líquido o gas. Los catalizadores heterogéneos se utilizan paraejemplo en la producción electrolítica de gas hidrógeno o para la limpieza de gases de escape de vehículos.
"Sin embargo, las reacciones químicas no tienen lugar a la misma velocidad en todas las ubicaciones. En cambio, hay centros activos en la superficie de los catalizadores", informa Bandarenka. "Anteriormente, teníamos que confiar en los cálculos del modelo y las mediciones indirectas".para localizar estos centros "
Con el nuevo procedimiento de análisis, ahora se puede probar experimentalmente la existencia de los centros activos. Las muestras con materiales catalíticos, incluido el platino y una combinación de oro y paladio, se cubren con una capa de electrolito líquido y se examinan mediante un túnel de exploraciónmicroscopio.
Mientras los iones de hidrógeno es decir, protones reciben electrones del electrodo, en la superficie del catalizador, y forman hidrógeno gaseoso, la punta del microscopio escanea la superficie del catalizador a una distancia de solo unos pocos ángstroms. Punto por punto, ahora se mide la "corriente de túnel" que fluye entre la superficie y la punta. Una computadora conectada al dispositivo registra las señales.
Un misterio "ruidoso"
"Curiosamente, las corrientes de túnel no son las mismas en todas partes. Hay áreas donde la corriente es más fuerte, pero fluye de manera desigual, es 'ruidosa'", informa Bandarenka. La existencia de este ruido se conoce desde hace mucho tiempo, pero hasta la fecha, nadie ha investigado qué lo causa.
Durante la evaluación de los datos, el equipo de TUM descubrió una relación distinta entre la intensidad del ruido y los defectos en la superficie de los catalizadores: pasos, bordes o esquinas microscópicamente pequeños ". A medida que aumenta el número de defectos,hace el ruido: fluyen más electrones y, por lo tanto, también más corriente ", explica Bandarenka.
El principio de comida rápida
Al investigador le gusta comparar el comportamiento de los iones con el de los huéspedes en un restaurante de comida rápida: cuando los asientos son incómodos, se van de inmediato sin consumir nada. Por otro lado, si los asientos son extremadamente cómodos, permanecensentados durante mucho tiempo, bloqueando los asientos para los nuevos huéspedes. Solo cuando los asientos no son ni demasiado cómodos ni demasiado incómodos, los clientes vienen, comen y se van de nuevo.
Visto en términos de los procesos químicos durante la electrólisis, esto significa lo siguiente: si la superficie del catalizador es químicamente atractiva o repelente para los iones de hidrógeno, la reacción se descompone. Las áreas más efectivas son donde los iones son atraídos, perono te quedes por mucho tiempo
Menos vecinos hacen mejores reacciones
Los pequeños defectos en la red atómica, pero también las fronteras entre materiales, por ejemplo, paladio sobre oro, parecen crear estas condiciones ideales para la catálisis. Pero, ¿por qué? "Nuestros experimentos muestran que el número de átomos vecinos y la fuerza resultante deel vínculo es un factor crucial para la actividad ", explica Oliver Schneider, uno de los coautores de la publicación.
Los investigadores de TUM ahora tienen la intención de utilizar los hallazgos para desarrollar materiales catalíticos más efectivos con áreas activas que sean lo más grandes posible.
Esta investigación fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación DFG a través del proyecto BA 5795 / 3-1 y el grupo de excelencia Nanosystems Initiative Munich NIM, así como Toyota Motor Europe.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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