La "economía de energía limpia" siempre parece estar a unos pasos de distancia, pero nunca aquí. La mayor parte de la energía para el transporte, la calefacción, la refrigeración y la fabricación todavía se entrega utilizando insumos de combustibles fósiles. Pero con algunos avances científicos, el hidrógeno es el másUn elemento abundante en el universo, podría ser el portador de energía de una futura sociedad de energía limpia. Dando un paso más hacia la meta difícil, un equipo de científicos de Penn State y Florida State University ha desarrollado un catalizador de menor costo y escalable industrialmente para producir purohidrógeno a través de un proceso de división de agua de baja energía.
"La energía es el tema más importante de nuestro tiempo, y para la energía, las celdas de combustible son cruciales. Y luego, para las celdas de combustible, el hidrógeno es lo más importante", dice Yu Lei, un candidato a doctorado en Penn State y primer autor de unnuevo papel en ACS Nano describiendo el catalizador de división de agua que ella y sus colegas predijeron teóricamente y sintetizaron en el laboratorio. "La gente ha estado buscando un buen catalizador que pueda dividir eficientemente el agua en hidrógeno y oxígeno. Durante este proceso, no habrá productos secundarios queno son ecológicos "
El método industrial actual de producción de hidrógeno - reformado con vapor de metano - resulta en la liberación de CO 2 a la atmósfera. Otros métodos utilizan el calor residual, como las plantas de energía nuclear avanzadas o la energía solar concentrada, que enfrentan desafíos técnicos para ser comercialmente factibles. Otro proceso industrial utiliza platino como catalizador para impulsar la división del aguaproceso. Aunque el platino es un catalizador casi perfecto, también es costoso. Un catalizador más barato podría hacer que el hidrógeno sea una alternativa razonable a los combustibles fósiles en el transporte y alimente las celdas de combustible para aplicaciones de almacenamiento de energía.
"El disulfuro de molibdeno MoS2 se ha predicho como un posible reemplazo para el platino, porque la energía libre de Gibbs para la absorción de hidrógeno es cercana a cero", dice Mauricio Terrones, profesor de física, ciencia de materiales e ingeniería y química en Penn State.Cuanto más baja es la energía libre de Gibbs, menos energía externa debe aplicarse para producir una reacción química.
Sin embargo, experimentalmente, existen inconvenientes en el uso de MoS2 como catalizador. En su fase estable, MoS2 es un semiconductor, lo que limita su capacidad para conducir electrones. Para solucionar ese problema, el equipo agregó óxido de grafeno reducido, un producto altamente conductorLuego, para disminuir aún más la energía libre, alearon el MoS2 con tungsteno para crear una película delgada con capas alternativas de disulfuro de grafeno y tungsteno-molibdeno. La adición de tungsteno reduce el voltaje eléctrico requerido para dividir el agua a la mitad,200 milivoltios con MoS2 puro, a 96 milivoltios con la aleación de tungsteno-molibdeno.
El proceso de división del agua utiliza una cantidad muy pequeña de energía eléctrica aplicada a un electrodo sumergido en agua. Usando este pequeño potencial, los protones en la solución pueden ser absorbidos en la superficie del catalizador. Luego, dos protones migrarán juntos para formaruna burbuja de hidrógeno que sube a la superficie y libera el hidrógeno.
Desde el punto de vista teórico, los orbitales de electrones juegan un papel crucial. En el caso de MoS2 puro, los orbitales del metal no se superponen bien con el orbital de hidrógeno en el paso de reacción clave; sin embargo, cuando la aleación espresentar estos orbitales interactúan bien y hace que la reacción sea más eficiente. Esto es similar a lo que hace el platino, y la razón por la cual el platino es tan eficiente energéticamente en esta reacción química. Sin embargo, en este trabajo, los investigadores demostraron que pueden ser elementos más baratos y más abundantes.usado y alcanzar una eficiencia que supera a los mejores catalizadores.
"Lo que sucede en estas aleaciones es una exquisita superposición de orbitales que hace que la reacción sea más eficiente. Esto no se observa en los componentes puros. Es un ejemplo donde el híbrido es mejor que los componentes puros", dice José L. Mendoza-Cortes, profesor de ingeniería química, ciencia de materiales e ingeniería y computación científica en el estado de Florida.
Las celdas de combustible de hidrógeno pueden impulsar una economía de energía limpia no solo en el sector del transporte, donde el abastecimiento rápido de combustible y la gama de vehículos superan a los vehículos que funcionan con baterías, sino también para almacenar la energía eléctrica producida por la energía solar y eólica. Este trabajo es otro paso adelante para alcanzar esoobjetivo.
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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