Los materiales que absorben hidrógeno se utilizan para el almacenamiento y la purificación de hidrógeno, sirviendo así como portadores de energía limpia. El absorbente de hidrógeno más conocido, el paladio Pd, se puede mejorar aleando con oro Au.
Una nueva investigación dirigida por el Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio explica por primera vez cómo Au marca la diferencia, lo que será valioso para afinar mejoras adicionales.
El primer paso en el almacenamiento de hidrógeno es la quimisorción, en donde H gaseoso 2 colisiona con Pd y se adsorbe se adhiere a la superficie. En segundo lugar, los átomos de H quimiosorbidos se difunden en la subsuperficie, varios nanómetros de profundidad. Un artículo reciente publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS informa que el grupo se centró en este segundo paso lento, que es el cuello de botella para el proceso general.
En Pd puro, solo alrededor de 1 en 1,000 de la H 2 las moléculas que chocan con el metal en realidad se absorben en el interior. Por lo tanto, solo éstas pueden almacenarse como portadores de energía. Sin embargo, cuando la superficie de Pd se alea con Au, la absorción es más de 40 veces más rápida.
Es vital obtener la cantidad de Au correcta: la absorción de hidrógeno se maximiza cuando el número de átomos de Au es ligeramente inferior a la mitad 0.4 de una sola monocapa de Pd, según el estudio. Esto se descubrió por calor.espectroscopía de desorción, y mediante medición de profundidad de los átomos de H usando emisiones de rayos gamma.
"Queríamos saber qué papel juega Au", dice el primer autor del estudio, Kazuhiro Namba. "Los átomos de Au se encuentran principalmente en la superficie de la aleación. Sin embargo, nuestros resultados mostraron que el almacenamiento de hidrógeno se mejora incluso por debajo de esta profundidad, en Pd puro.Por lo tanto, Au debe estar acelerando la difusión de hidrógeno en la subsuperficie, en lugar de mejorar su solubilidad ".
Esta difusión actúa como una reacción química típica: su velocidad está determinada por la barrera de energía, es decir, el obstáculo que los átomos de H deben superar para penetrar Pd. La altura de la barrera es la brecha entre las energías de los átomos de H quimiosorbidos y elestado de transición que deben atravesar para llegar al primer sitio subterráneo.
Según los cálculos de la teoría de densidad funcional DFT, los átomos de Au desestabilizan el hidrógeno quimisorbido, lo que aumenta su energía y reduce la barrera. Al hacer que la superficie sea un entorno menos estable para los átomos de H, esto los alienta a penetrar más rápidamente en sitios más profundos, en lugar de quedarse en la superficie. La espectroscopía de fotoemisión sugiere que los átomos de Au empujan la energía de los electrones Pd hacia abajo, debilitando su capacidad de quimisorb hidrógeno.
Sin embargo, los átomos de H débilmente quimisorbidos también tienen más probabilidades de desorberse simplemente de la superficie; es decir, volver a la fase gaseosa. Este proceso no deseado explica por qué el almacenamiento de hidrógeno se maximiza con solo 0.4 monocapas de Au, si es que hay más Auagregado, la desorción de hidrógeno supera su difusión en Pd.
"Nuestro estudio revela, a nivel electrónico, cómo la aleación de Au controla la absorción de hidrógeno", dice el coautor Shohei Ogura. "Esto nos ayudará a diseñar mejores materiales de almacenamiento de hidrógeno, que desempeñarán un papel en el transporte de energía neutral en carbono, así como catalizadores sólidos para reacciones químicas, que a menudo dependen del hidrógeno unido a la superficie ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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