Energía El uso de energía solar y eólica debe duplicarse para satisfacer la demanda mundial de energía limpia en los próximos 30 años. Los catalizadores que pueden garantizar el almacenamiento de energía solar y eólica en combustibles y productos químicos, por lo tanto, desempeñarán un papel cada vez más importante.Sin embargo, los catalizadores que se usan hoy en día son a menudo caros e ineficaces. Ahora los investigadores de la Universidad de Copenhague y DTU han desarrollado un método que facilita encontrar catalizadores mejores y más baratos, y sus resultados se han publicado recientemente en la revista julio
Las necesidades energéticas mundiales aumentarán de dos a tres veces en los próximos 30 años, ya que la población mundial pasará de aproximadamente 7.3 mil millones hoy a aproximadamente 9.7 mil millones para 2050, según cifras de la ONU.
No es suficiente expandir la capacidad de la energía solar y eólica como un sustituto de los combustibles fósiles. Ambas fuentes satisfacen la necesidad de sostenibilidad ambiental, pero son inestables debido a su dependencia de condiciones climáticas impredecibles.
Un resultado de esta inestabilidad es que los catalizadores y la electrólisis se han vuelto cada vez más importantes, con la esperanza de que puedan garantizar un suministro de energía estable. Además de esto, los catalizadores se utilizan para muchas cosas en la industria química; desde la conversiónde gases de escape nocivos de automóviles a la conversión de nitrógeno de la atmósfera para fertilizantes.
Aún queda un largo camino por recorrer
"Todavía queda un largo camino por recorrer en el desarrollo de catalizadores que se puedan utilizar, por ejemplo, para pilas de combustible, almacenamiento de energía solar y eólica y nuevos combustibles ecológicos. Los catalizadores que existen hoy en día no son lo suficientemente buenos como para garantizar un verdetransición ", señala el profesor Jan Rossmeisl del Departamento de Química de la Universidad de Copenhague.
Con la ayuda de dos estudiantes de doctorado, Jack K. Pedersen y Thomas AA Batchelor, está buscando "la famosa aguja en el pajar" entre una nueva generación de catalizadores.
Pero esta no es una tarea fácil
"Es difícil encontrar la aleación de metales adecuada para catalizadores entre infinitas posibilidades, a pesar de las supercomputadoras de hoy. Encontrar las mejores aleaciones llevaría toda una vida. Utilizamos las llamadas aleaciones de alta entropía, que son mezclas aleatorias demuchos elementos diferentes, como punto de partida y hemos desarrollado modelos informáticos basados en el aprendizaje automático. De esta manera, se hace más fácil clasificar la gran cantidad de combinaciones de aleaciones y encontrar aquellas que puedan resolver el problema de convertir y almacenar energía solar y eólicaeficientemente ", enfatiza el profesor Jan Rossmeisl.
La próxima generación de catalizadores
La industria química utiliza catalizadores para que los procesos funcionen de manera eficiente sin dejar de ser respetuosos con el medio ambiente, desde la transformación de gases de escape de los automóviles hasta la producción de fertilizantes que utilizan nitrógeno de la atmósfera. Entre estos procesos químicos hay algunos que aún no tienen catalizadores efectivos, y esto requerirá soluciones en un futuro cercano. Por ejemplo, la conversión de dióxido de carbono en sustancias útiles para mitigar el cambio climático, y la reacción entre oxígeno e hidrógeno para formar agua para su uso en pilas de combustible. El papel de un catalizador es ayudarla conversión de sustancias químicas en una reacción química, y un catalizador efectivo puede hacer esto rápidamente y con una pequeña pérdida de energía. Es un gran desafío predecir qué material actuará como un buen catalizador para una reacción química, y es exactamente este problemapara los que proponemos una solución con una nueva clase de materiales, las llamadas aleaciones de alta entropía.
Las aleaciones de alta entropía se componen de una mezcla de cinco o más metales, que se han utilizado recientemente como catalizadores. Presentamos el primer estudio teórico sobre cómo beneficiarse sistemáticamente de las aleaciones de alta entropía para proporcionar el mejor candidato de aleación que puedacatalizar una reacción química deseada.
Lo que hace que las aleaciones de alta entropía sean diferentes de otros catalizadores es que tienen una superficie con innumerables configuraciones locales de diferentes átomos que dan lugar a la mayor cantidad de entornos químicos locales. Imagine un cubo de Rubik: cuando se resuelve, consta de seis carascada uno con su propio color que representa los metales puros. Mezcle el cubo de Rubik y cada cara ahora está compuesta de muchos colores. En cada cara, los seis colores se pueden organizar de muchas maneras diferentes. Los nueve cuadrados representan una combinación local de seis metales diferentes enla superficie de una aleación de alta entropía. Algunas combinaciones de átomos en la superficie se unirán débilmente a las sustancias químicas que reaccionan, mientras que con otras se unirán fuertemente. Para aquellas combinaciones de átomos donde la fuerza de enlace es perfecta, la actividad catalítica será mayor,y estas combinaciones gobernarán la actividad catalítica general.
Al calcular la fuerza de enlace de las sustancias químicas para todas las configuraciones de átomos, podemos identificar los mejores entornos químicos y en qué proporción se incluyen los metales mezclados a nivel atómico. Aquí, sin embargo, nos encontramos con el problema que tomaríatoda una vida para calcular las fuerzas de enlace para todas las combinaciones, incluso con los métodos modernos de mecánica cuántica. Hemos resuelto este problema calculando las fuerzas de enlace de un subconjunto seleccionado al azar de las combinaciones posibles y luego utilizamos el aprendizaje automático para calcular las fuerzas de enlace para todotramo de combinaciones en solo unos segundos.
Cuando se conocen las fuerzas de enlace de todas las combinaciones locales de átomos en la superficie, podemos ajustar la relación de los metales incorporados para promover la probabilidad de que las mejores fuerzas de enlace ocurran con la mayor frecuencia posible. Esta relación de mezcla óptima puedese calculan y los resultados son catalizadores completamente nuevos y no probados. El método nos brinda una forma sistemática de proponer catalizadores que solo depende de los metales que incluimos. Hemos utilizado el método para sugerir catalizadores para la reacción entre el oxígeno y el agua que forma hidrógeno, perola aplicación es muy amplia, por lo que actualmente estamos trabajando en varias otras reacciones químicas, así como en mejorar las aproximaciones y suposiciones del método para que podamos proponer aleaciones que, con suerte, excedan la actividad de los catalizadores actuales.
Nota
Catalizador y electrólisis : El papel de un catalizador es ayudar en la conversión de sustancias químicas en una reacción química, y un catalizador efectivo puede proporcionar una vía rápida, económica y eficiente para la reacción. La electrólisis es un método para separar una sustancia poruso de electricidad.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias - Universidad de Copenhague . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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