Las nuevas pautas establecidas por Nebraska y los investigadores chinos podrían orientar el diseño de catalizadores menos costosos y más eficientes orientados a acelerar la producción de hidrógeno como combustible renovable.
Xiao Cheng Zeng de Nebraska y sus colegas han identificado varios factores pasados por alto que son críticos para el rendimiento de los catalizadores de un solo átomo: átomos individuales, generalmente metálicos y anclados por los marcos moleculares circundantes, que impulsan y aceleran las reacciones químicas.
El equipo dobló esas variables en una ecuación simple que requería lo que Zeng describió como "cálculos de fondo". Esa ecuación debería permitir a los investigadores predecir fácilmente cómo la elección del átomo y su material circundante afectará el rendimiento catalítico.fecha, los investigadores a menudo se han basado en pruebas y errores que llevan mucho tiempo para encontrar catalizadores prometedores de un átomo
"Toda esta información relevante se puede recopilar fácilmente de un libro de texto", dijo Zeng, profesor de química de la Universidad del Canciller. "Incluso antes de un experimento, puede ver rápidamente si es una buena manera de hacer el catalizador. Estamossimplificando el proceso "
Utilizando su ecuación, el equipo descubrió varias combinaciones de estructura atómica que se aproximan al rendimiento de los catalizadores de metales preciosos - platino, oro, iridio - a solo milésimas del costo. Uno cambió un átomo de platino por manganeso; otro reemplazóiridio con cobalto.
"Hay dos formas primarias de reducir el precio de estos catalizadores", dijo Zeng. "Una es usar la menor cantidad posible de metales, por lo que los catalizadores de un solo átomo son los más baratos. La otra dirección es encontrarmetales alternativos como hierro, aluminio o zinc que son muy baratos "
Dos de las combinaciones de estructura atómica del equipo pueden dividir el agua en sus partes constituyentes: un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, el último de los cuales puede servir como combustible verde para vehículos y otras aplicaciones. Otros dos candidatos de catalizador ayudan a los átomos de oxígeno a tomaren más electrones, preparándolos para unirse con átomos de hidrógeno cargados positivamente y formar agua, el subproducto deseado de las celdas de combustible de hidrógeno.
"En este momento, esta no es la forma predominante de producir hidrógeno", dijo Zeng. "La industria todavía usa combustibles fósiles para producir hidrógeno. Es simplemente más barato. Así que esa es nuestra motivación: reducir el costo para que todos estos combustibles más limpiosque producen reacciones se vuelven viables "
INFORME DE EXPLORACIÓN
Los investigadores descubrieron que el número y la naturaleza de los átomos unidos directamente a un catalizador de un solo átomo pueden afectar profundamente la forma en que cataliza las reacciones químicas. En algunos casos, el átomo catalizador puede estar unido a otros tres o cuatro átomos, cada uno de los cualeses en sí mismo parte de un anillo de cinco o seis átomos. Cada átomo en esa red inmediata también tiene una atracción conocida por los electrones, y la fuerza de esa atracción influye aún más en el rendimiento catalítico.
La disposición y las cualidades de esos átomos vecinos son importantes, dijo Zeng, de la misma manera que una línea ofensiva es importante para un mariscal de campo inmóvil y de bolsillo. Y la nueva ecuación del equipo podría actuar como un informe de exploración para los investigadores que buscan amplificar elfortalezas o cubrir las debilidades de su personal, dijo.
Para Zeng y sus colegas, ese personal consistía en más de 20 llamados metales de transición que generalmente son peores que los metales preciosos en las reacciones catalizadoras. Pero el equipo demostró que rodea a un átomo de cobalto, hierro u otro átomo de segunda cadena con el derechoEl medio ambiente, a veces un panal de átomos de carbono conocido como grafeno, a veces una red de átomos de nitrógeno, puede elevar su rendimiento.
"Cada línea ofensiva es diferente", dijo Zeng. "¿Cómo haces que el mariscal de campo funcione mejor en ese bolsillo? ¿Cómo encuentras al mejor mariscal de campo en diferentes bolsillos?
"Si tienes un mariscal de campo de dos estrellas, necesitas una mejor línea ofensiva. Pero incluso un mariscal de campo suplente puede funcionar bien con la línea correcta".
Zeng fue autor del estudio con colegas de la Universidad de Tecnología Química de Beijing. El estudio apareció en la revista Catálisis de la naturaleza y se destacó en Noticias de Química e Ingeniería , una revista publicada por la American Chemical Society.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nebraska-Lincoln . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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