La búsqueda para encontrar alternativas viables al combustible fósil en la producción de energía ha experimentado una revolución reciente a medida que los científicos buscan materiales que no requieren metales preciosos para producir reacciones activas y estables.
El centro de muchas de estas reacciones es la reacción de evolución de oxígeno REA, una parte electroquímica importante de la división del agua en los electrolizadores para producir hidrógeno que puede alimentar las celdas de combustible.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE utilizaron una combinación de ciencia de materiales de alta precisión y electroquímica para proporcionar información importante sobre los mecanismos que impulsan la estabilidad y la actividad de los materiales durante el REA.Diseño de materiales para la producción de combustible electroquímico.
"Nuestra explicación elimina parte de la niebla que rodea los efectos de las impurezas en la estabilidad de un material a escala atómica y macro", dijo el distinguido miembro de Argonne, Nenad Markovic, químico de la división de Ciencia de Materiales del laboratorio.
Los científicos estudiaron un material electrolizador, llamado óxido de hidr oxi, para descubrir que, aunque los electrolizadores pueden comportarse como si fueran completamente estables, a escala atómica los sistemas son extremadamente dinámicos. Los átomos de hierro presentes en el electrodo caen repetidamente.y se vuelve a unir a la interfaz, o la superficie en la que tienen lugar las importantes reacciones productoras de oxígeno. Este cuidadoso equilibrio entre la disolución y la redeposición permite la estabilidad general del material.
"Tradicionalmente, los científicos miden cuánto tiempo un electrolizador puede producir oxígeno, y lo usan para determinar la estabilidad", dijo el científico postdoctoral de Argonne, Dongyoung Jung, primer autor del estudio. "Desacoplamos la estabilidad general del material a escala macro"de la estabilidad del material a escala atómica, lo que nos ayudará a comprender y desarrollar nuevos materiales ".
Los científicos desarrollaron herramientas de medición electroquímica ultrasensibles para monitorear la actividad del hierro en el momento de la REA y probar el sistema con varios niveles de impurezas para ver qué variables afectan la estabilidad general del material. El comportamiento del hierro en la interfaz es responsablede qué tan bien el material puede producir oxígeno en el proceso REA.
"Al medir el contenido de hierro en el electrodo y el electrolito con una sensibilidad ultra alta, encontramos discrepancias inesperadas que apuntan a una estabilidad dinámica del hierro en el sistema", dijo Pietro Lopes, un científico asistente de Argonne en el estudio.
La estabilidad dinámica en el material, caracterizada por un comportamiento estable a nivel macroscópico a pesar de la alta actividad a nivel atómico, no es necesariamente algo malo para los electrolizadores. Los científicos esperan aprovechar su nueva comprensión de este fenómeno paracrear materiales con mejor rendimiento.
"Una vez que identificamos el papel del hierro y cómo su movimiento afecta el proceso de evolución del oxígeno, podemos modificar los materiales para aprovechar la estabilidad dinámica, asegurando que el hierro siempre esté presente en la interfaz, lo que aumenta la producción de oxígeno", dijo Lopes.
"Estamos abordando una idea errónea importante en el campo", dijo Vojislav Stamenkovic, líder del grupo de Conversión y Almacenamiento de Energía en la división de Ciencia de Materiales de Argonne. "Las profundas implicaciones del desacoplamiento de la estabilidad virtual y la verdadera estabilidad extenderán las reglas de diseño para producirinterfaces activas y estables "
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias de la Energía Básica del DOE. El análisis de rayos X in situ para el estudio se realizó en la Fuente Avanzada de Fotones APS de Argonne, y los cálculos de la teoría funcional de densidad DFT se realizaron utilizando instalaciones computacionales en Argonne'sCentro de Materiales a Nanoescala CNM. Tanto APS como CNM son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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