El hidrógeno es uno de los combustibles limpios más prometedores para su uso en automóviles, casas y generadores portátiles. Cuando se produce a partir del agua utilizando recursos de energía renovable, también es un combustible sostenible sin huella de carbono.
Sin embargo, los sistemas de división de agua requieren un catalizador muy eficiente para acelerar la reacción química que divide el agua en hidrógeno y oxígeno, al tiempo que evita que los gases se recombinen nuevamente en el agua. Ahora un equipo de investigación internacional, que incluye científicos del Departamento de EnergíaSLAC National Accelerator Laboratory, ha desarrollado un nuevo catalizador con un revestimiento de molibdeno que evita esta reacción de reacción problemática y funciona bien en condiciones de funcionamiento realistas.
Una parte clave del desarrollo se centró en comprender cómo funcionaba el revestimiento de molibdeno utilizando experimentos en la fuente de luz de radiación de sincrotrón Stanford SSRL de SLAC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Los científicos informaron sus resultados el 13 de abril en Angewandte Chemie.
"Cuando se divide el agua en hidrógeno y oxígeno, los productos gaseosos de la reacción se recombinan fácilmente de nuevo al agua y es crucial evitar esto", dijo Angel García-Esparza, autor principal y actualmente investigador postdoctoral de la Ecole Normale Supérieurede Lyon: "Descubrimos que un catalizador recubierto de molibdeno es capaz de producir hidrógeno de forma selectiva a partir del agua al tiempo que inhibe las reacciones de retorno de la formación de agua".
Los experimentos demostraron que su estrategia de recubrimiento de molibdeno tiene aplicaciones en dispositivos de electrocatálisis y fotocatálisis, agregó García-Esparza. Estos son dispositivos que ayudan a impulsar una reacción usando electricidad o luz.
Buscando estabilidad
García-Esparza ayudó a desarrollar el nuevo catalizador como estudiante graduado en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah KAUST en Arabia Saudita bajo la dirección de Kazuhiro Takanabe, profesor asociado de ciencias químicas en KAUST. El grupo de investigación de Takanabe exploró la estabilidad, rendimiento y función de muchos elementos diferentes antes de seleccionar molibdeno como recubrimiento para un catalizador estándar a base de platino.
"Encontrar un recubrimiento que funcionara bien en el electrolito ácido utilizado para la división del agua fue un gran desafío para mis colaboradores, porque muchos materiales se degradan rápidamente en condiciones ácidas", dijo el coautor Dimosthenis Sokaras, científico del personal de SLAC.
De los recubrimientos que probaron, "el molibdeno fue el material con mejor rendimiento en medios ácidos, donde las condiciones para la evolución del hidrógeno son favorables y fáciles", explicó García-Esparza.
Prueba del rendimiento
Otro desafío importante fue encontrar una manera de medir las propiedades de su catalizador recubierto de molibdeno, porque estos compuestos de molibdeno no son estables cuando se exponen al aire. "Sacar el catalizador del agua perturba la identidad del material", dijo García-Esparza. "Por lo tanto, era necesario estudiar el electrocatalizador en condiciones de trabajo, lo cual es difícil".
Así que García-Esparza pasó un verano realizando experimentos de electroquímica en SSRL para caracterizar el nuevo catalizador en condiciones operativas. "La idea era trabajar juntos para ver cómo funcionaba el catalizador recubierto de molibdeno y determinar su estructura electrónica cuando estaba operando".dijo Sokaras: "Queríamos entender por qué la reacción no ocurre".
Probaron un catalizador de platino desnudo, con y sin recubrimiento de molibdeno, durante la electrólisis del agua en SSRL, usando en operando espectroscopía de absorción de rayos X con una celda electroquímica a medida. "En SSRL, pudimos hacer electroquímica mientras analizamos la muestra con radiación sincrotrónica", dijo García-Esparza. "Los experimentos realizados en SLAC fueron la pieza final".del rompecabezas para determinar la estructura local y el estado del electrocatalizador en las condiciones operativas de producción de hidrógeno ".
"Nuestros hallazgos respaldan que la capa de molibdeno actúa como una membrana para impedir que los gases de oxígeno e hidrógeno lleguen cerca de la superficie del platino, lo que impide la formación de agua", dijo Sokaras.
Además, el equipo de investigación exploró las aplicaciones de fotocatálisis. Construyeron un sistema fotocatalítico de separación de agua utilizando un catalizador estándar de platino sobre óxido de titanio y estroncio Pt / SrTiO 3 o el mismo catalizador recubierto con molibdeno.Ambos sistemas se probaron en KAUST con las luces encendidas y apagadas, es decir, con y sin una fuente de energía que impulsa la reacción de división del agua.
Cuando la luz estaba encendida, el Pt / SrTiO estándar 3 el catalizador aumentó la producción de hidrógeno durante solo seis horas porque el sistema perdió eficiencia debido a la reacción inversa. Cuando se apagaron las luces, la cantidad de hidrógeno disminuyó con el tiempo, verificando que cantidades significativas de los gases se recombinaban para formar agua.
En contraste, el catalizador recubierto de molibdeno dividió continuamente el agua para generar cantidades crecientes de gas hidrógeno durante 24 horas, produciendo aproximadamente el doble de hidrógeno que el catalizador estándar en un día. Además, la cantidad de hidrógeno permaneció estable en eloscuro, confirmando que el recubrimiento inhibió la formación de agua
Estos resultados son prometedores, pero aún queda mucho trabajo por hacer antes de que el catalizador pueda usarse en un dispositivo práctico. Sokaras dijo: "Creo que estamos lejos de hablar de un dispositivo comercial, pero ciertamente es un granmejora para tener este nuevo material catalizador que previene la reacción inversa. Ahora necesitamos encontrar una manera de hacer que el recubrimiento sea más estable para que produzca hidrógeno por más tiempo ".
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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