La electricidad puede ser generada por fuentes renovables como la luz solar, el viento. Luego, la electricidad se puede usar para dividir el agua, lo que hace que el hidrógeno sea un combustible para dispositivos de energía emergentes como las celdas de combustible. Debido a que el hidrógeno es un combustible limpio, los investigadores del mundo estánponiendo mucho esfuerzo en el desarrollo de catalizadores de división del agua, que son esenciales para la eficiencia energética de la reacción.
El enfoque se centra principalmente en la llamada reacción de evolución de oxígeno REA, que es posiblemente el proceso más desafiante en la división del agua. Después de muchos años de intensa investigación, el óxido de níquel-hierro ahora se ha establecido como el catalizador de referencia paraREA en condiciones alcalinas debido a su alta actividad y composición abundante en tierra, y también porque tiene la mayor actividad por sitio de reacción entre todos los óxidos metálicos.
Hace unos tres años, los científicos del laboratorio de Xile Hu en EPFL descubrieron otro catalizador que era significativamente más activo que el óxido de níquel-hierro, a pesar de que tenía una composición similar. Aún así, era robusto, fácil de sintetizar y abiertoa aplicaciones industriales.
El descubrimiento fue dirigido por Fang Song, un postdoctorado en el grupo de Hu que desde entonces se ha unido a la facultad de la Universidad Jiaotong de Shanghai en China. Reconociendo su potencial tecnológico, Hu, Song y su colega Elitsa Petkucheva presentaron una solicitud de patente internacional. Tambiénobtuvieron fondos del Consejo Europeo de Investigación para probar el catalizador en un proyecto de prueba de concepto. El catalizador demostró que permite un electrolizador eficiente que podría funcionar en condiciones industriales mientras requiere 200 mV menos voltaje. Ahora están buscando socios industriales para transferir el catalizador.tecnología.
Pero el nuevo catalizador también fue poco convencional en términos de química. "No teníamos idea de por qué el catalizador sería tan activo", dice Hu. Entonces, su equipo recurrió al grupo de Clemence Corminboeuf en EPFL en busca de ayuda.Trabajando con su postdoctorado, Michael Busch, y con el apoyo de NCCR MARVEL Centro de Diseño Computacional y Descubrimiento de Materiales Nuevos, Corminboeuf usó cálculos de la teoría funcional de densidad DFT para buscar posibles explicaciones teóricas. DFT es un método computacional, de mecánica cuántica quemodela y estudia la estructura de sistemas de muchos cuerpos, por ejemplo, átomos y moléculas.
El resultado fue radical: la alta actividad del nuevo catalizador se origina de una acción cooperativa de dos componentes de óxidos de hierro y níquel separados por fases, que superaron una limitación previamente identificada de óxidos metálicos convencionales donde la reacción se produjo localmente en un solositio de metal. Lo llamaron el "mecanismo bifuncional".
Si bien el mecanismo derivado de DFT era hipotético, guió los estudios experimentales sobre la actividad y las propiedades del catalizador con Benedikt Lassalle-Kaiser en Synchrotron SOLEIL en Francia. Utilizando la espectroscopía de absorción de rayos X XAS, el trabajo descubrió evidencia encontrada dedos óxidos de hierro y níquel separados por fases en el catalizador, pero debido a que los catalizadores pueden sufrir cambios de composición y estructura durante la catálisis, se hizo necesario estudiar el catalizador "en funcionamiento" con XAS.
Para hacer esto, los investigadores establecieron un programa de colaboración a largo plazo con el grupo del profesor Hao Ming Chen en la Universidad Nacional de Taiwán. En un estudio exhaustivo sobre el funcionamiento de XAS, Chen y su estudiante graduado, Chia-Shuo Hsu, revelaron una estructura únicadel catalizador: que está hecho de nanoclusters de? -FeOOH unidos covalentemente a un soporte de? -NiOOH, lo que lo convierte en un catalizador de óxido de hierro-níquel, a diferencia del óxido de níquel-hierro convencional. Aunque no es una prueba directa,esta estructura es compatible con el mecanismo bifuncional propuesto por DFT.
"Este es un estudio verdaderamente interdisciplinario que involucra muchas colaboraciones fructíferas", dice Hu. "Los estudios fundamentales no solo proporcionan información sobre la estructura y la actividad de este catalizador poco convencional, sino que también conducen a una hipótesis mecanicista que invita a la reflexión".
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Materiales proporcionados por Escuela Politécnica Federal de Lausana . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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