La transición de los combustibles fósiles a una economía de hidrógeno limpio requerirá formas más económicas y eficientes de utilizar fuentes renovables de electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno.
Pero un paso clave en ese proceso, conocido como reacción de evolución de oxígeno o REA, ha demostrado ser un cuello de botella. Hoy en día solo tiene un 75% de eficiencia, y los catalizadores de metales preciosos utilizados para acelerar la reacción, como el platino y el iridio,son raros y caros.
Ahora, un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía ha desarrollado un conjunto de herramientas avanzadas para superar este cuello de botella y mejorar otros procesos relacionados con la energía, como encontrar formas de producir iones de litio.las baterías se cargan más rápido. El equipo de investigación describió su trabajo en Naturaleza hoy.
Trabajando en Stanford, SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del DOE y la Universidad de Warwick en el Reino Unido, pudieron acercarse a nanopartículas de catalizador individuales, con forma de placas diminutas y aproximadamente 200 veces más pequeñas que un glóbulo rojo- y observe cómo aceleran la generación de oxígeno dentro de celdas electroquímicas hechas a medida, incluida una que cabe dentro de una gota de agua.
Descubrieron que la mayor parte de la actividad catalítica tenía lugar en los bordes de las partículas y pudieron observar las interacciones químicas entre la partícula y el electrolito circundante en una escala de mil millonésimas de metro a medida que aumentaban el voltaje para conducirla reacción.
Al combinar sus observaciones con el trabajo computacional previo realizado en colaboración con el Instituto SUNCAT de Ciencia y Catálisis de Interfaces en SLAC y Stanford, pudieron identificar un solo paso en la reacción que limita la rapidez con la que puede avanzar.
"Este conjunto de métodos puede decirnos dónde, qué y por qué de cómo funcionan estos materiales electrocatalíticos en condiciones de funcionamiento realistas", dijo Tyler Mefford, científico de planta de Stanford y el Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford SIMES enSLAC, quien dirigió la investigación. "Ahora que hemos descrito cómo usar esta plataforma, las aplicaciones son extremadamente amplias".
Escalando hacia una economía de hidrógeno
La idea de usar electricidad para descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno se remonta a 1800, cuando dos investigadores británicos descubrieron que podían usar la corriente eléctrica generada por la batería de pila recién inventada de Alessandro Volta para alimentar la reacción.
Este proceso, llamado electrólisis, funciona de manera muy similar a una batería a la inversa: en lugar de generar electricidad, utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Las reacciones que generan hidrógeno y oxígeno gaseoso tienen lugar en diferentes electrodos utilizando diferentes metales preciososcatalizadores.
El hidrógeno gaseoso es una materia prima química importante para la producción de amoníaco y el refinado de acero, y cada vez se utiliza más como combustible limpio para el transporte pesado y el almacenamiento de energía a largo plazo. Pero más del 95% del hidrógeno que se produce en la actualidad proviene del gas natural.a través de reacciones que emiten dióxido de carbono como subproducto. La generación de hidrógeno a través de la electrólisis del agua impulsada por la electricidad de la energía solar, eólica y otras fuentes sostenibles reduciría significativamente las emisiones de carbono en varias industrias importantes.
Pero para producir combustible de hidrógeno a partir del agua en una escala lo suficientemente grande como para impulsar una economía verde, los científicos tendrán que hacer que la otra mitad de la reacción de división del agua, la que genera oxígeno, sea mucho más eficiente y encontrar formas dehacer que funcione con catalizadores basados en metales mucho más baratos y abundantes que los que se utilizan en la actualidad.
"No hay suficientes metales preciosos en el mundo para impulsar esta reacción a la escala que necesitamos", dijo Mefford, "y su costo es tan alto que el hidrógeno que generan nunca podría competir con el hidrógeno derivado de combustibles fósiles".
Mejorar el proceso requerirá una mejor comprensión de cómo operan los catalizadores de división de agua, con suficiente detalle como para que los científicos puedan predecir qué se puede hacer para mejorarlos. Hasta ahora, muchas de las mejores técnicas para hacer estas observaciones no funcionaban enel entorno líquido de un reactor electrocatalítico.
En este estudio, los científicos encontraron varias formas de sortear esas limitaciones y obtener una imagen más nítida que nunca.
Nuevas formas de espiar catalizadores
El catalizador que eligieron investigar fue el oxihidróxido de cobalto, que se presentó en forma de cristales planos de seis lados llamados nanoplaquetas. Los bordes eran afilados y extremadamente delgados, por lo que sería fácil distinguir si se estaba produciendo una reacción en elbordes o en la superficie plana.
Hace aproximadamente una década, el grupo de investigación de Patrick Unwin en la Universidad de Warwick había inventado una técnica novedosa para colocar una celda electroquímica en miniatura dentro de una gota a nanoescala que sobresale de la punta de un tubo de pipeta. Cuando la gota se pone en contacto con unasuperficie, el dispositivo obtiene imágenes de la topografía de la superficie y de las corrientes iónicas y electrónicas con una resolución muy alta.
Para este estudio, el equipo de Unwin adaptó este diminuto dispositivo para que funcione en el entorno químico de la reacción de evolución del oxígeno. Los investigadores postdoctorales Minkyung Kang y Cameron Bentley lo movieron de un lugar a otro a través de la superficie de una sola partícula de catalizador mientras se producía la reacción..
"Nuestra técnica nos permite acercarnos para estudiar regiones extremadamente pequeñas de reactividad", dijo Kang, quien dirigió los experimentos allí. "Estamos viendo la generación de oxígeno a una escala más de cien millones de veces más pequeña que las técnicas típicas."
Descubrieron que, como suele ser el caso de los materiales catalíticos, solo los bordes estaban promoviendo activamente la reacción, lo que sugiere que los catalizadores futuros deberían maximizar este tipo de característica afilada y delgada.
Mientras tanto, el investigador de Stanford y SIMES, Andrew Akbashev, utilizó microscopía de fuerza atómica electroquímica para determinar y visualizar exactamente cómo el catalizador cambiaba de forma y tamaño durante la operación, y descubrió que las reacciones que inicialmente cambiaron el catalizador a su estado activo eran muy diferentes de las que habían sidoSe suponía anteriormente. En lugar de que los protones abandonaran el catalizador para iniciar la activación, los iones de hidróxido se insertaron primero en el catalizador, formando agua dentro de la partícula que hizo que se hinchara. A medida que avanzaba el proceso de activación, esta agua y los protones residuales eran rechazadosfuera.
En un tercer conjunto de experimentos, el equipo trabajó con David Shapiro y Young-Sang Yu en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab y con una empresa de Washington, Hummingbird Scientific, para desarrollar una celda de flujo electroquímica que podría integrarse en una transmisión de escaneo Xmicroscopio de rayos. Esto les permitió trazar el estado de oxidación del catalizador de trabajo, un estado químico que está asociado con la actividad catalítica, en áreas tan pequeñas como aproximadamente 50 nanómetros de diámetro.
"Ahora podemos comenzar a aplicar las técnicas que desarrollamos en este trabajo a otros materiales y procesos electroquímicos", dijo Mefford. "También nos gustaría estudiar otras reacciones relacionadas con la energía, como la carga rápida en los electrodos de la batería, la reducción de dióxido de carbono paracaptura de carbono y reducción de oxígeno, lo que nos permite utilizar hidrógeno en pilas de combustible ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Acelerador DOE / SLAC . Original escrito por Glennda Chui. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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