Los catalizadores hacen que sea más probable que ocurran reacciones químicas. En la mayoría de los casos, un catalizador que es bueno para conducir reacciones químicas en una dirección es malo para conducir reacciones en la dirección opuesta. Sin embargo, un equipo de investigación dirigido por el Departamento Nacional de Energía de Oak RidgeLaboratorio ha creado el primer catalizador de óxido bidireccional de alto rendimiento y ha presentado una solicitud de patente para la invención. El logro se informa en el Revista de la American Chemical Society.
Los investigadores hicieron una película delgada de óxido de metal de transición a través de heteroepitaxia, que hace crecer un material en un sustrato con un espaciado de celosía diferente. Los desajustes de celosía introducen tensión en el sistema. La tensión cambió la estructura electrónica de la película sin alterar su composición química, creandoun catalizador mejor para impulsar las reacciones químicas.
El descubrimiento puede guiar el desarrollo de nuevos sistemas de materiales para electroquímica. Los dispositivos de almacenamiento de energía, como pilas de combustible y baterías recargables, convierten la energía química en electricidad a través de una reacción química. Los catalizadores aceleran este proceso, haciéndolo más eficiente. En particular,un catalizador de reducción de oxígeno extrae electrones de las moléculas de oxígeno, mientras que un catalizador de evolución de oxígeno conduce la reacción en la dirección opuesta. Las reacciones catalíticas que proceden en ambas direcciones son necesarias para cargar y descargar dispositivos de almacenamiento de energía regenerativa.
"Encontramos un catalizador que es muy bueno para impulsar la reacción de evolución de oxígeno opuesta y la reacción de reducción de oxígeno", dijo el autor principal Ho Nyung Lee de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL.
Los materiales de óxido son caballos de batalla de la generación y el almacenamiento de energía. Varios materiales de óxido contienen metales de transición, que pueden intercambiar electrones fácilmente. Los estudios han demostrado que la deformación de las películas delgadas de óxido mejora su capacidad de conducir iones, pero pocos estudios han explorado el efecto de la deformaciónsobre catálisis en películas delgadas de óxido. Los investigadores estudiaron el nickelato de lantano, un sistema de óxido con una estructura electrónica que puede facilitar el máximo rendimiento catalítico.
"No se sabía que los óxidos pueden funcionar tan bien como los metales nobles como catalizadores bifuncionales", dijo Lee. Se enfoca en controlar orbitales, bandas de electrones que giran alrededor del núcleo que sustentan las interacciones entre los átomos, para desarrollar materiales funcionales ".Los óxidos de perovskita con electrones fuertemente correlacionados son robustos en entornos químicos hostiles y bastante económicos en comparación con los catalizadores de metales nobles. "El rendimiento del nuevo catalizador fue mejor que el del platino, un metal noble que se destaca por impulsar tanto la evolución como la reducción de oxígenoreacciones. Aunque los nickelatos pueden exceder el rendimiento del platino en una dirección catalítica, funcionan mal en la otra, limitando su bifuncionalidad. La ingeniería de deformación en este estudio ha mejorado su rendimiento en ambas direcciones, cumpliendo el objetivo de superar catalizadores conocidos comoplatino en bifuncionalidad.
cepa de ingeniería
"Para que ocurra una reacción, tienes que hacer enlaces y romper enlaces", dijo Daniel Lutterman de ORNL, quien asistió a las pruebas catalíticas junto con Zhiyong Zhang. "Eso depende mucho de la energía de estos orbitales y de qué tan bien esténcapaz de superponerse con los orbitales de las pequeñas moléculas que están saliendo a la superficie. Al afectar esas energías a través de la tensión, estamos afectando ese proceso de creación y ruptura de enlaces ".
Los investigadores fueron los primeros en probar las capas filtradas de nickelato de lantano como catalizador bifuncional. Mientras que el nickelato de lantano no entrenado es un catalizador por sí solo para la evolución del oxígeno, el material filtrado es un catalizador aún mejor, permitiendo la reducción de oxígeno también ".en general, un catalizador reduce la barrera de activación para que se produzca una reacción ", dijo Lutterman." Si lo baja aún más a través de la tensión, está haciendo un mejor catalizador. Sigue siendo el mismo material porque es un nickelato de lantano, pero porque esos enlacesson alargadas, es un nickelato de lantano mejorado "
Jonathan Petrie dirigió la síntesis epitaxial de materiales de óxido colado y pruebas catalíticas, y Tricia Meyer ayudó a la deposición de película delgada utilizando una técnica que emplea un láser excimer de alta potencia para vaporizar material y depositarlo como películas delgadas de alta calidad bajo condiciones controladas con precisión.
John Freeland de Advanced Photon Source, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne, contribuyó con espectroscopía de absorción de rayos X blandos, una técnica para comprender los cambios en la estructura orbital y análisis de datos relacionados. Valentino Cooper de ORNL's Materials Science yLa División de Tecnología realizó cálculos teóricos.
"Tanto la teoría como el experimento han demostrado durante mucho tiempo la importancia de un orbital específico para definir la actividad catalítica en las superficies de los metales de transición", dijo Cooper. "Aquí, usando la teoría, podemos dar una idea de cómo la división orbital se correlaciona con la bifuncionalidad en el óxidosuperficies, que no se habían visto antes "
Filtrar películas delgadas controla la división orbital: el estiramiento de nubes de electrones de valencia. "En la superficie del nickelate, tienes un átomo de níquel en el centro de un cuadrado de cuatro átomos de oxígeno", dijo Cooper.cuadrado y empujar los átomos de oxígeno más cerca, entonces el enlace níquel-oxígeno se vuelve inestable. Cuando una molécula de oxígeno entra y quiere reaccionar con esa superficie, se necesita mucha menos energía para romper el enlace oxígeno-oxígeno en la molécula de oxígeno.es decir, el estado de transición para que la reacción proceda es más bajo en energía ". Esta nueva visión de cómo se puede utilizar la tensión para ajustar la división orbital abre la puerta al desarrollo de nuevas estrategias para el diseño e innovación de catalizadores.
El título del trabajo es "Catálisis de oxígeno bifuncional mejorada en perovskitas de LaNiO3 filtradas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Dawn Levy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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