Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad de Arkansas han desarrollado un catalizador altamente eficiente para extraer energía eléctrica del etanol, un combustible líquido fácil de almacenar que puede generarse a partir de recursos renovables.catalizador, descrito en el Revista de la Sociedad Americana de Química , dirige la electrooxidación del etanol por una vía química ideal que libera todo el potencial de energía almacenada del combustible líquido.
"Este catalizador es un cambio de juego que permitirá el uso de celdas de combustible de etanol como una fuente prometedora de alta densidad de energía de energía eléctrica 'fuera de la red'", dijo Jia Wang, el químico de Brookhaven Lab que dirigió elUna aplicación particularmente prometedora: los drones con pilas de combustible líquido.
"Las celdas de combustible de etanol son livianas en comparación con las baterías. Brindarían suficiente energía para operar drones utilizando un combustible líquido que es fácil de rellenar entre vuelos, incluso en lugares remotos", señaló Wang.
Gran parte del poder potencial del etanol está encerrado en los enlaces carbono-carbono que forman la columna vertebral de la molécula. El catalizador desarrollado por el grupo de Wang revela que romper esos enlaces en el momento adecuado es la clave para desbloquear esa energía almacenada.
"La electrooxidación de etanol puede producir 12 electrones por molécula", dijo Wang. "Pero la reacción puede progresar siguiendo muchas vías diferentes".
La mayoría de estas vías resultan en una oxidación incompleta: los catalizadores dejan intactos los enlaces carbono-carbono, liberando menos electrones. También eliminan los átomos de hidrógeno al principio del proceso, exponiendo los átomos de carbono a la formación de monóxido de carbono, que "envenena" elcapacidad de los catalizadores para funcionar con el tiempo.
"La oxidación total de etanol de 12 electrones requiere romper el enlace carbono-carbono al comienzo del proceso, mientras que los átomos de hidrógeno todavía están unidos, porque el hidrógeno protege al carbono y evita la formación de monóxido de carbono", dijo Wang.Luego, se necesitan múltiples pasos de deshidrogenación y oxidación para completar el proceso.
El nuevo catalizador, que combina elementos reactivos en una estructura de núcleo-cubierta única que los científicos de Brookhaven han estado explorando para una gama de reacciones catalíticas, acelera todos estos pasos.
Para hacer el catalizador, Jingyi Chen de la Universidad de Arkansas, quien fue científico visitante en Brookhaven durante parte de este proyecto, desarrolló un método de síntesis para depositar platino e iridio en nanopartículas de oro. El platino y el iridio forman "monoatómico"islas "a través de la superficie de las nanopartículas de oro. Esa disposición, señaló Chen, es la clave que explica el rendimiento sobresaliente del catalizador.
"Los núcleos de nanopartículas de oro inducen tensión de tracción en las islas monoatómicas de platino-iridio, lo que aumenta la capacidad de esos elementos para escindir los enlaces carbono-carbono y luego eliminar sus átomos de hidrógeno", dijo.
Zhixiu Liang, un estudiante graduado de la Universidad de Stony Brook y el primer autor del artículo, realizó estudios en el laboratorio de Wang para comprender cómo el catalizador logra su eficiencia de conversión de energía alta récord. Utilizó "espectroscopía de absorción de reflexión infrarroja in situ" paraidentifique los productos intermedios de reacción y los productos, comparando los producidos por el nuevo catalizador con las reacciones que usan un catalizador de núcleo de oro / concha de platino y también un catalizador de aleación de platino-iridio.
"Al medir los espectros producidos cuando la luz infrarroja se absorbe en diferentes pasos de la reacción, este método nos permite rastrear, en cada paso, qué especies se han formado y qué cantidad de cada producto", dijo Liang.los espectros revelaron que el nuevo catalizador dirige el etanol hacia la vía de oxidación completa de 12 electrones, liberando todo el potencial de energía almacenada del combustible ".
Wang señaló que el siguiente paso es diseñar dispositivos que incorporen el nuevo catalizador.
Los detalles mecanicistas revelados por este estudio también pueden ayudar a guiar el diseño racional de futuros catalizadores multicomponentes para otras aplicaciones.
Además de los detalles descritos aquí, los científicos utilizaron la línea de haz de la Espectroscopía de cubierta interna ISS en la Fuente de luz nacional sincrotrón II NSLS-II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, para caracterizar las cantidades relativas decada elemento en las muestras de catalizador Los coautores adicionales del artículo son: Liang Song y Radoslav R. Adzic de la División de Química del Laboratorio Brookhaven, Shiqing Deng y Yimei Zhu de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales del Laboratorio, y Eli Stavitski de NSLS-II.
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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