Con una combinación de teoría y fabricación de gel inteligente y meticulosa, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Toronto han desarrollado un nuevo tipo de catalizador que es tres veces mejor que el poseedor del récord anterior en la división del aguaen hidrógeno y oxígeno: el primer paso vital para fabricar combustibles a partir de energía solar y eólica renovables.
La investigación, publicada hoy en la revista ciencia , describe una forma potencial de hacer una generación futura de catalizadores de separación de agua a partir de tres metales abundantes: hierro, cobalto y tungsteno, en lugar de los metales raros y costosos de los que dependen muchos de los catalizadores actuales.
"Lo bueno de este catalizador es que es fácil de fabricar, su producción puede ampliarse fácilmente sin herramientas súper avanzadas, es consistente y es muy robusto", dijo Aleksandra Vojvodic, científica del personal de SLAC con elEl Centro SUNCAT de Ciencia de Interfaz y Catálisis, que dirigió el lado teórico del trabajo.
Almacenamiento de energía solar y eólica
Los científicos han estado buscando una manera eficiente de almacenar la electricidad generada por la energía solar y eólica para que pueda usarse en cualquier momento, no solo cuando el sol brilla y sopla la brisa. Una forma de hacerlo es usar la corriente eléctrica paradivide las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, y almacena el hidrógeno para usarlo luego como combustible.
Esta reacción tiene lugar en varios pasos, cada uno de los cuales requiere un catalizador, una sustancia que promueve reacciones químicas sin ser consumido por sí mismo, para moverlo rápidamente. En este caso, los científicos se centraron en un paso donde los átomos de oxígeno se unen para formarun gas que burbujea, lo que ha sido un cuello de botella en el proceso.
En trabajos anteriores, Vojvodic y sus colegas de SUNCAT habían utilizado la teoría y la computación para observar catalizadores de óxido que separan el agua que contienen uno o dos metales y predecir formas de hacerlos más activos. Para este estudio, Edward H. Sargent, profesorde ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Toronto, les pidió que observaran el efecto de agregar tungsteno, un metal pesado y denso utilizado en filamentos de bombilla y blindaje de radiación, a un catalizador de hierro y cobalto que funcionó, pero no muyeficientemente.
Con la ayuda de computadoras potentes en SLAC y en otros lugares y herramientas computacionales de vanguardia, el equipo de SUNCAT determinó que agregar tungsteno debería aumentar dramáticamente la actividad del catalizador, especialmente si los tres metales podrían mezclarse tan a fondo que suslos átomos se distribuyeron uniformemente cerca del sitio activo del catalizador, donde tiene lugar la reacción, en lugar de separarse en grupos individuales, como suelen hacerlo.
"El tungsteno es un átomo bastante grande en comparación con los otros dos, y cuando agrega un poco de él, expande la red atómica, y esto afecta la reacción no solo geométricamente sino también electrónicamente", dijo Vojvodic. "Estábamoscapaz de entender, a escala atómica, por qué funciona, y luego eso se verificó experimentalmente "
Agregar átomos de metal, mezcla y gel
Con base en esa información, el equipo de Sargent desarrolló una nueva forma de distribuir los tres metales de manera uniforme dentro del catalizador: disolvieron los metales y otros ingredientes en una solución y luego convirtieron lentamente la solución en un gel a temperatura ambiente, ajustando el proceso para quelos átomos de metal no se agruparon. El gel se secó en un polvo blanco cuyas partículas fueron acribilladas con pequeños poros, aumentando el área de superficie donde los productos químicos pueden unirse y reaccionar entre sí.
En las pruebas, el catalizador pudo generar oxígeno gaseoso tres veces más rápido, por unidad de peso, que el récord anterior, dijo Sargent, y también demostró ser estable a través de cientos de ciclos de reacción.
"Es un gran avance, aunque todavía hay más espacio para mejorar", dijo. "" Y tendremos que hacer que los catalizadores y los sistemas de electrólisis sean aún más eficientes, rentables y de alta intensidad en su operación para reducir el consumocosto de producir combustibles renovables de hidrógeno a un nivel aún más competitivo "
Sargent dijo que los investigadores esperan usar el mismo método para desarrollar otros catalizadores de tres metales para dividir el agua y también para dividir el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero liberado al quemar combustibles fósiles, para producir combustibles renovables y reservas de alimentos químicos. Él y cincootros miembros del equipo de la Universidad de Toronto han solicitado una patente provisional sobre la técnica para preparar el catalizador.
Direcciones futuras
"Hay muchas cosas que necesitamos entender", dijo Vojvodic. "¿Hay otros metales abundantes que podamos probar como mezclas en óxidos? ¿Cuáles son las mezclas óptimas de los componentes? ¿Qué tan estable es el catalizador y cómo¿podemos ampliar su producción? Realmente necesita ser probada a nivel de dispositivo "
Jeffrey C. Grossman, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en el MIT que no participó en el estudio, dijo: "El trabajo destaca de manera impresionante el poder de la ciencia de los materiales computacionales estrechamente acoplados con técnicas experimentales avanzadas, y establece un alto estándar paratal enfoque combinado. Abre nuevas vías para acelerar el progreso en materiales eficientes para la conversión y el almacenamiento de energía ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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