Los científicos han desarrollado un nuevo catalizador de baja temperatura para producir hidrógeno gaseoso de alta pureza mientras utilizan simultáneamente monóxido de carbono CO. El descubrimiento, descrito en un artículo publicado en línea en la revista ciencia el 22 de junio de 2017, podría mejorar el rendimiento de las celdas de combustible que funcionan con combustible de hidrógeno pero pueden ser envenenadas por el CO.
"Este catalizador produce una forma más pura de hidrógeno para alimentar la celda de combustible", dijo José Rodríguez, químico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE. Rodríguez y colegas en la División Química de Brookhaven-Ping Liu y WenqianXu-se encontraba entre el equipo de científicos que ayudó a caracterizar los detalles estructurales y mecanicistas del catalizador, que fue sintetizado y probado por colaboradores de la Universidad de Pekín en un esfuerzo dirigido por el profesor de química Ding Ma.
Porque el catalizador funciona a baja temperatura y baja presión para convertir agua H 2 O y monóxido de carbono CO a gas de hidrógeno H2 y dióxido de carbono CO2, también podría reducir el costo de ejecutar esta reacción llamada "cambio de gas de agua".
"Con baja temperatura y presión, el consumo de energía será menor y la configuración experimental será menos costosa y más fácil de usar en entornos pequeños, como las celdas de combustible para automóviles", dijo Rodríguez.
La conexión de carburo de oro
El catalizador consiste en grupos de nanopartículas de oro en capas sobre un sustrato de carburo de molibdeno. Esta combinación química es bastante diferente de los catalizadores a base de óxido utilizados para impulsar la reacción de cambio de gas de agua en instalaciones industriales de producción de hidrógeno a gran escala.
"Los carburos son químicamente más reactivos que los óxidos", dijo Rodríguez, "y la interfaz de carburo de oro tiene buenas propiedades para la reacción de cambio de gas en el agua; interactúa mejor con el agua que los metales puros".
"El grupo de la Universidad de Pekín descubrió un nuevo método sintético, y eso fue un gran avance", dijo Rodríguez. "Encontraron una manera de obtener una fase específica o configuración de los átomos que es altamente activa para esta reacción"."
Los científicos de Brookhaven jugaron un papel clave en descifrar las razones de la alta actividad catalítica de esta configuración. Rodríguez, Wenqian Xu y Siyu Yao entonces estudiante de la Universidad de Pekín pero ahora investigador postdoctoral en Brookhaven realizaron estudios estructurales utilizando xde difracción de rayos en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón NSLS mientras el catalizador estaba operando bajo condiciones industriales o técnicas. Estos experimentos operando revelaron detalles cruciales sobre cómo la estructura cambió bajo diferentes condiciones de operación, incluso a diferentes temperaturas.
Con esos detalles estructurales en la mano, Zhijun Zuo, profesor visitante en Brookhaven de la Universidad Tecnológica de Taiyuan, China, y el químico de Brookhaven Ping Liu ayudaron a desarrollar modelos y un marco teórico para explicar por qué el catalizador funciona de la manera que lo hace, usandorecursos computacionales en el Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials CFN.
"Modelamos diferentes interfaces de oro y carburo de molibdeno y estudiamos el mecanismo de reacción para identificar exactamente dónde tienen lugar las reacciones: los sitios activos donde se unen los átomos y cómo se rompen y reforman los enlaces", dijo.
Estudios adicionales en el Centro del Laboratorio Nacional de Oak Ridge para las Ciencias de Materiales Nanofásicos CNMS, la Fuente de Luz Avanzada ALS en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y dos instalaciones de investigación de sincrotrón en China contribuyeron a la comprensión de los científicos.
"Esta es una reacción compleja de múltiples partes", dijo Liu, pero señaló un factor esencial: "La interacción entre el oro y el sustrato de carburo es muy importante. El oro generalmente une las cosas muy débilmente. Con este método de síntesis conseguimos una mayor adherenciade oro al carburo de molibdeno de forma controlada "
Esa configuración estabiliza el intermediario clave que se forma a medida que avanza la reacción, y la estabilidad de ese intermediario determina la velocidad de producción de hidrógeno, dijo.
El equipo de Brookhaven continuará estudiando este y otros catalizadores de carburo con nuevas capacidades en el National Synchrotron Light Source II NSLS-II, una nueva instalación que abrió en Brookhaven Lab en 2014, reemplazando NSLS y produciendo rayos X que son10.000 veces más brillante. Con estos rayos X más brillantes, los científicos esperan capturar más detalles de la química en acción, incluidos los detalles de los intermedios que se forman a lo largo del proceso de reacción para validar las predicciones teóricas realizadas en este estudio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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