Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que el cerio es el mejor elemento para usar al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, una técnica clave para crear gas hidrógeno como combustible. Pero por qué, exactamente, el cerio es tan exitoso se ha entendido mucho menos.
Ahora, un equipo de la Universidad Northwestern dirigido por Chris Wolverton ha descubierto que la entropía electrónica del cerio, que se crea cuando un electrón pasa de varios estados dentro de una capa de electrones, es la razón subyacente de su éxito. Este hallazgo podría ayudar a los investigadores a aprovechar mejor la entropía del ceriopara tecnologías de división de agua.
"Para que la división del agua sea lo suficientemente rápida como para ser práctica, se necesita una gran cantidad de entropía", dijo Wolverton, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Resulta que el cerio es mágico paraentropía. "
Con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., La investigación se publicó recientemente en Comunicaciones de la naturaleza . Shahab Naghavi, becario postdoctoral en el Grupo de Investigación Wolverton, fue el primer autor del artículo.
Desde la década de 1970, los investigadores han promocionado el potencial de una "economía del hidrógeno", en la que el hidrógeno reemplazaría a la gasolina como combustible para el transporte terrestre. Cuando se quema, el único subproducto del hidrógeno es el agua, lo que lo hace ambientalmente más limpio y más eficiente energéticamente que su combustible fósil.alternativas de combustible. Sin embargo, el gas hidrógeno puro es muy raro en la atmósfera de la Tierra.
"El problema es: ¿cómo se obtiene el hidrógeno en primer lugar?", Preguntó Wolverton. "Actualmente, hay que quemar hidrocarburos, pero eso produce dióxido de carbono".
La división del agua o vapor podría producir de manera limpia y eficiente suficiente hidrógeno puro para hacer que la economía del hidrógeno sea una verdadera posibilidad. Para separar el hidrógeno del oxígeno, los investigadores utilizan el calor generado por la radiación solar y el óxido de cerio, o ceria. Usando la luz solar para calentar la ceriaa 1000 a 1500 grados Celsius impulsa una serie de reacciones que hacen que el hidrógeno se separe.
Wolverton y otros sabían previamente que la entropía era clave para hacer posible esta reacción, pero no pudieron encontrar la fuente de la entropía del cerio. "La mayoría de la gente pensaba que la entropía era causada por la mezcla de oxígeno o vibraciones del calor", dijo Wolverton.Pero descubrimos que es una fuente diferente y no es lo que podría pensar ".
Para que la reacción química que impulsa la división del agua tenga éxito, el cerio en el óxido debe ganar un electrón. Y ese único electrón da lugar a una gran cantidad de entropía.
"Si hay varios lugares para el electrón, eso da lugar a la entropía electrónica", explicó Wolverton. "El electrón puede pasar de un estado a otro y a otro y crea desorden en la escala electrónica y, por lo tanto, entropía".
La familia de elementos del cerio, conocida como tierras raras, tiene naturalmente más estados de electrones alrededor de los cuales el electrón puede moverse. El equipo de Wolverton calculó la entropía electrónica de las 17 tierras raras y descubrió que el cerio presentaba la mayor cantidad.
"Durante mucho tiempo, hemos sabido que el cerio es bueno para la división del agua, pero no sabíamos muy bien por qué", dijo Wolverton. "Ahora sabemos parcialmente por qué, y eso abre posibilidades para el trabajo futuro".
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Materiales proporcionado por Universidad Northwestern . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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