Un nuevo catalizador a base de rutenio desarrollado en UC Santa Cruz ha demostrado un rendimiento notablemente mejor que los catalizadores comerciales de platino en la electrólisis de agua alcalina para la producción de hidrógeno. El catalizador es un material compuesto nanoestructurado compuesto de nanocables de carbono con átomos de rutenio unidos a nitrógeno y carbono paraformar sitios activos dentro de la matriz de carbono.
La división electroquímica del agua para producir hidrógeno es un paso crucial en el desarrollo del hidrógeno como combustible limpio y ecológico. Gran parte del esfuerzo para reducir el costo y aumentar la eficiencia de este proceso se ha centrado en encontrar alternativas al platino costosocatalizadores a base de.
En UC Santa Cruz, los investigadores dirigidos por Shaowei Chen, profesor de química y bioquímica, han estado investigando catalizadores hechos mediante la incorporación de rutenio y nitrógeno en materiales nanocompuestos a base de carbono. Sus nuevos hallazgos, publicados el 7 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza no solo demuestra el rendimiento impresionante de su catalizador a base de rutenio, sino que también proporciona información sobre los mecanismos involucrados, lo que puede conducir a mejoras adicionales.
"Esta es una demostración clara de que el rutenio puede tener una actividad notable en la catalización de la producción de hidrógeno a partir del agua", dijo Chen. "También caracterizamos el material a escala atómica, lo que nos ayudó a comprender los mecanismos, y podemos usar estosresultados para el diseño racional y la ingeniería de catalizadores basados en rutenio "
La microscopía electrónica y el análisis de mapeo elemental del material mostraron nanopartículas de rutenio, así como átomos de rutenio individuales dentro de la matriz de carbono. Sorprendentemente, los investigadores encontraron que los principales sitios de actividad catalítica eran átomos de rutenio individuales en lugar de nanopartículas de rutenio.
"Eso fue un gran avance, porque muchos estudios han atribuido la actividad catalítica a las nanopartículas de rutenio. Encontramos que los átomos individuales son los sitios activos dominantes, aunque tanto las nanopartículas como los átomos individuales contribuyen a la actividad", dijo el primer autor Bingzhang Lu, unestudiante graduado en el laboratorio de Chen en UC Santa Cruz.
Lu trabajó con el coautor Yuan Ping, profesor asistente de química y bioquímica, para hacer cálculos teóricos que muestran por qué los átomos individuales de rutenio son centros catalíticos más activos que las nanopartículas de rutenio.
"Hicimos cálculos independientes a partir de los primeros principios para mostrar cómo el rutenio forma enlaces con el carbono y el nitrógeno en este material y cómo esto reduce la barrera de reacción para proporcionar una mejor actividad catalítica", dijo Ping.
Chen dijo que ha presentado una solicitud de patente para la preparación experimental de catalizadores basados en rutenio. Señaló que, además de las posibles aplicaciones para la producción de hidrógeno como parte de sistemas de energía sostenibles, la electrólisis de agua alcalina ya se usa ampliamente en la industria química, como es un proceso relacionado llamado electrólisis de cloro-álcali para el cual también se podría usar el catalizador de rutenio. Por lo tanto, ya existe un gran mercado para catalizadores más baratos y más eficientes.
La electrólisis del agua para producir hidrógeno puede realizarse en condiciones ácidas o alcalinas, y cada método tiene ventajas y desventajas. Los catalizadores de platino son mucho más efectivos en medios ácidos que en medios alcalinos. Los catalizadores basados en rutenio funcionancasi tan bien como el platino en medios ácidos, mientras que supera el platino en medios alcalinos, dijo Chen.
En el trabajo futuro, los investigadores buscarán maximizar el número de sitios activos en el material. También pueden investigar el uso de otros metales en la misma plataforma de nanocompuestos, dijo.
Además de Chen, Lu y Ping, los coautores del artículo incluyen a Lin Guo, Feng Wu, Yi Peng, Jia En Lu y Tyler Smart en UC Santa Cruz; Nan Wang en la Universidad Tecnológica del Sur de China; Zou Finfrocken Canadian Light Source; David Morris y Peng Zhang en la Universidad Dalhousie; y Ning Li y Peng Gao en la Universidad de Pekín. Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation y la Universidad de California en Santa Cruz.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Cruz . Original escrito por Tim Stephens. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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