El equilibrio forma la base para una vida feliz o una dieta saludable. Para los científicos que trabajan para diseñar nuevos catalizadores para crear energía renovable, equilibrar diferentes materiales y sus propiedades es igualmente importante los catalizadores ayudan a acelerar las reacciones químicas.
En un nuevo estudio, los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad Johns Hopkins, la Universidad Drexel y varias universidades de Corea del Sur utilizaron un enfoque nuevo y contraintuitivo para crear un mejor catalizador que respalde una de las reaccionesinvolucrados en la división del agua en hidrógeno y oxígeno. Los científicos planean usar el hidrógeno generado como combustible limpio.
Al crear primero una aleación de dos de los elementos naturales más densos y luego eliminar uno, los científicos reformaron la estructura del material restante para que equilibrara mejor tres factores importantes para las reacciones químicas: actividad, estabilidad y conductividad.
"Encontrar un material que funcione bien para la conversión o el almacenamiento de energía es como crear un matrimonio feliz", dijo Nenad Markovic, científico de materiales de Argonne y autor del estudio. "En nuestro caso, encontramos una asociación dinámica entre dos diferenteslos materiales nos ayudaron a integrar preocupaciones en competencia "
Los científicos que buscan nuevos catalizadores han rastreado la tabla periódica para encontrar los elementos correctos o combinaciones de elementos para maximizar la actividad de un catalizador en las reacciones de división del agua, así como la durabilidad de los sitios activos en su superficie. Encontrar materiales que sean ambosestable y activo, sin embargo, ha sido un desafío.
"Los catalizadores más activos tienden a ser menos estables", dijo Markovic. "Aquellos que parecen funcionar el doble de bien, por lo general trabajan solo la mitad. Es cada vez más obvio que diseñar catalizadores activos no es suficiente; es necesario que no tengamossolo materiales activos, pero también estables ".
Para el nuevo catalizador, Markovic y sus colegas recurrieron al iridio, un metal asociado más comúnmente con meteoritos. Como una película delgada, el iridio es catalíticamente activo, pero a medida que reacciona con el tiempo en un entorno electrolítico, los átomos de iridio se oxidan.En este proceso, algunos de ellos abandonan la superficie del catalizador a través de la corrosión, lo que afecta cada vez más su rendimiento.
El equipo de investigación trabajó para prevenir la oxidación reorganizando la estructura del iridio. Para ayudar a estabilizar y activar el iridio, lo alearon con su vecino en la tabla periódica, el osmio.
A diferencia del iridio, el osmio no es catalíticamente activo ni estable, pero ofreció un beneficio clave. Después de alear el osmio y el iridio juntos, los investigadores eliminaron la aleación de los dos metales, dejando solo una estructura reconfigurada de iridio tridimensionalnanoporos
"Sin el osmio, el iridio nunca alcanzaría este estado", dijo Markovic. "Necesitábamos introducir y luego eliminar el osmio para obtener una forma de iridio que fuera activo y estable".
Markovic dijo que la estabilidad catalítica mejorada de cada nanoporo se debe a que el pequeño volumen de electrolito dentro de un poro se satura rápidamente con iones de iridio para que los átomos de la superficie dejen de disolverse, de la misma manera que es más fácil saturar una taza de agua con azúcarque una jarra de 10 galones
Si bien la estructura del nanoporo resolvió la necesidad de un catalizador activo estable, fue otra faceta de la reconfiguración del iridio que ayudó a aumentar la conductividad electrónica del material. En condiciones operativas, el catalizador poroso en realidad forma una capa única de óxido de iridio menos conductivoalrededor de su interior de metal de iridio altamente conductor. De esta manera, los electrones pueden moverse fácilmente a través de la mayor parte del catalizador para llegar a la superficie, donde la molécula de agua espera a los electrones para iniciar la reacción de división del agua.
"Esencialmente, estamos tratando de encontrar una manera de enviar electrones a través de la 'autopista', en lugar de hacer que tomen las carreteras secundarias", dijo Markovic. "Esta configuración núcleo-caparazón [del material nanoporoso] nos permitePara hacer eso."
El estudio, "Actividad de equilibrio, estabilidad y conductividad de catalizadores de evolución de oxígeno de óxido de iridio núcleo-cáscara / óxido de iridio" apareció en la edición del 13 de noviembre de Comunicaciones de la naturaleza .
El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE, la Fundación Nacional de Investigación, la Fundación Nano-Convergence y el Instituto Coreano de Evaluación y Planificación de Tecnología Energética.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Jared Sagoff. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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