Cuando un tipo de estructura de óxido llamada perovskita se expone tanto al vapor de agua como a las corrientes de electrones, exhibe un comportamiento que los investigadores nunca habían anticipado: el material emite oxígeno y comienza a oscilar, casi como un organismo vivo que respira.
El fenómeno fue "totalmente inesperado" y puede resultar tener algunas aplicaciones prácticas, dice Yang Shao-Horn, profesora de energía de WM Keck en el MIT. Es la autora principal de un artículo que describe la investigación que se publica enel periódico Materiales de la naturaleza . El autor principal del artículo es Binghong Han PhD '16, ahora un postdoc en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Los óxidos de perovskita son candidatos prometedores para una variedad de aplicaciones, incluyendo celdas solares, electrodos en baterías recargables, dispositivos de división de agua para generar hidrógeno y oxígeno, celdas de combustible y sensores. En muchos de estos usos, los materiales estarían expuestos avapor de agua, por lo que una mejor comprensión de su comportamiento en dicho entorno se considera importante para facilitar el desarrollo de muchas de sus aplicaciones potenciales.
Como cocinar polenta cuando un tipo particular de perovskita conocida como BSCF - después de los símbolos químicos de sus componentes bario, estroncio, cobalto y hierro - se coloca en el vacío en un microscopio electrónico de transmisión TEM para observar su comportamiento, Dice Shao-Horn, "no pasa nada, es muy estable". Pero luego, "cuando bombea vapor de agua a baja presión, comienza a ver oscilar el óxido". La causa de esa oscilación, claramente visible en las imágenes TEM,es que "se forman burbujas y se encogen en el óxido. Es como cocinar una polenta, donde se forman burbujas y luego se encogen"
El comportamiento fue tan inesperado en parte porque el óxido es sólido y no se esperaba que tuviera la flexibilidad para formar burbujas que crecen y se encogen. "Esto es increíble", dice Shao-Horn. "Pensamos en los óxidos como frágiles", peroen este caso, las burbujas se expanden y contraen sin fracturar el material, y en el proceso de formación de burbujas, "en realidad estamos generando gas oxígeno", dice.
Además, la frecuencia exacta de las oscilaciones generadas por las burbujas que se forman y explotan puede ajustarse con precisión, lo que podría ser una característica útil para algunas aplicaciones potenciales. "La magnitud y la frecuencia de las oscilaciones dependen de la presión" deel vapor en el sistema, dice Shao-Horn. Y dado que el fenómeno también depende de la presencia de haces de electrones, la reacción puede activarse y desactivarse a voluntad controlando esos haces.
Ella dice que el efecto no es solo una reacción superficial. Las moléculas de agua, que se ionizan cargan eléctricamente por el haz de electrones, en realidad penetran profundamente en la perovskita ". Estos iones van dentro del material a granel, por lo que vemos oscilacionesviene de muy profundo ", dice ella.
Este experimento utilizó las capacidades únicas de un microscopio electrónico de transmisión "ambiental" en el Laboratorio Nacional Brookhaven, parte de una instalación respaldada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Con este instrumento, los investigadores observaron directamente la interacción entre el material de perovskita, el vapor de agua, y corrientes de electrones, todo a escala atómica.
Manteniendo su forma A pesar de todo el movimiento pulsante y la penetración de iones dentro y fuera del material cristalino sólido, cuando la reacción se detiene, el material "todavía tiene su estructura de perovskita original", dice Han.
Debido a que este es un hallazgo tan nuevo e intrigante, Shao-Horn dice, "todavía no entendemos con todo detalle" exactamente cómo se producen las reacciones, por lo que la investigación continúa para aclarar los mecanismos ". Es unresultado inesperado que abre muchas preguntas para abordar científicamente "
Si bien los experimentos iniciales utilizaron haces de electrones, Shao-Horn cuestiona si ese comportamiento también podría ser inducido al encender una luz brillante, lo que podría ser un enfoque útil para la división y purificación del agua, por ejemplo, utilizando la luz solar para generar combustible de hidrógeno a partir deagua o eliminar toxinas del agua.
Si bien la mayoría de los catalizadores promueven reacciones solo en sus superficies, el hecho de que esta reacción penetre en la mayor parte del material sugiere que podría ofrecer un nuevo mecanismo para los diseños de catalizadores, dice ella.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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