La electroquímica está desempeñando un papel cada vez más importante:ya se trate de pilas de combustible, electrólisis o almacenamiento de energía química, Se utilizan reacciones químicas controladas por corriente eléctrica. El factor decisivo en todas estas aplicaciones es que las reacciones sean lo más rápidas y eficientes posible.

Un equipo de TU Wien (Viena) y DESY en Hamburgo ha dado un importante paso adelante:demostraron que un material especial hecho de lantano, estroncio, El hierro y el oxígeno se pueden alternar entre dos estados diferentes:en un estado, el material es catalíticamente extremadamente activo, en el otro menos. La razón de esto es el comportamiento de diminutas nanopartículas de hierro en la superficie, que ahora se ha demostrado en experimentos en el sincrotrón de electrones alemán DESY en Hamburgo. Este hallazgo debería permitir ahora desarrollar catalizadores aún mejores. El resultado ha sido publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

El voltaje eléctrico hace que los iones de oxígeno migren

"Hemos estado usando perovskitas para nuestros experimentos electroquímicos durante años, "dice el profesor Alexander Opitz del Instituto de Tecnologías Químicas y Análisis." Las perovskitas son una clase muy diversa de materiales, algunos de ellos son excelentes catalizadores ". La superficie de las perovskitas puede ayudar a poner en contacto ciertos reactivos entre sí, o a separarlos de nuevo". Sobre todo, las perovskitas tienen la ventaja de que son permeables a los iones de oxígeno. Por lo tanto, pueden conducir corriente eléctrica, y lo estamos aprovechando ".

Cuando se aplica un voltaje eléctrico a la perovskita, Los iones de oxígeno se liberan de su lugar dentro del cristal y comienzan a migrar a través del material. Si el voltaje excede un cierto valor, esto conduce a la migración de átomos de hierro en la perovskita. Se mueven a la superficie y forman pequeñas partículas allí, con un diámetro de solo unos pocos nanómetros. Esencialmente, estas nanopartículas son excelentes catalizadores.

"Lo interesante es que si uno invierte el voltaje eléctrico, la actividad catalítica vuelve a disminuir. Y hasta ahora la razón de esto no estaba clara, "dice Alexander Opitz." Algunas personas sospechaban que los átomos de hierro simplemente migrarían de regreso al cristal, pero eso no es cierto. Cuando el efecto tiene lugar, los átomos de hierro no tienen que dejar su lugar en la superficie del material en absoluto ".

Análisis con rayos X en DESY

El equipo de investigación de TU Wien colaboró ​​con un equipo del Sincrotrón de Electrones en Hamburgo (DESY) para analizar con precisión la estructura de las nanopartículas con rayos X mientras se llevan a cabo los procesos químicos. Resultó que las nanopartículas cambian entre dos estados diferentes, dependiendo del voltaje aplicado:"Podemos cambiar las partículas de hierro entre un estado metálico y uno oxídico, "dice Opitz. El voltaje aplicado determina si los iones de oxígeno en el material son bombeados hacia las nanopartículas de hierro o lejos de ellas. Esto permite controlar la cantidad de oxígeno que contienen las nanopartículas, y dependiendo de la cantidad de oxígeno, las nanopartículas pueden formar dos estructuras diferentes:una rica en oxígeno, con baja actividad catalítica, y pobre en oxígeno, es decir, metálico, que es catalíticamente muy activo.

"Este es un hallazgo muy importante para nosotros, ", dice." Si el cambio entre los dos estados fuera causado por los átomos de hierro de la nanopartícula que se difunden de nuevo en el cristal, se necesitarían temperaturas muy altas para que este proceso funcione de manera eficiente. Ahora que entendemos que el cambio de actividad no está relacionado con la difusión de átomos de hierro sino con el cambio entre dos estructuras cristalinas diferentes, también sabemos que pueden ser suficientes temperaturas comparativamente bajas. Esto hace que este tipo de catalizador sea aún más interesante porque potencialmente puede usarse para acelerar reacciones tecnológicamente relevantes ".

Del hidrógeno al almacenamiento de energía

Este mecanismo catalítico ahora se investigará más a fondo, también para materiales con composiciones ligeramente diferentes. Podría aumentar la eficiencia de muchas aplicaciones. "Esto es particularmente interesante para las reacciones químicas que son importantes en el sector energético, "dice Opitz". Por ejemplo, cuando se trata de la producción de hidrógeno o gas de síntesis, o al almacenamiento de energía mediante la producción de combustible con corriente eléctrica ".