Los catalizadores de nanopartículas desarrollados por los investigadores de A * STAR pueden ayudar a dividir el agua para producir hidrógeno, un combustible de combustión limpia que proporciona una forma conveniente de almacenar energía renovable.

El platino es actualmente el material de electrodo catalítico más eficiente para generar hidrógeno de esta manera, pero el metal precioso es escaso y caro. Yee-Fun Lim y sus colegas del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales ahora han desarrollado nanopartículas de electrocatalizador que son altamente activas, barato y estable, y que realizan la reacción de desprendimiento de hidrógeno, así como cualquier alternativa al platino descubierta hasta ahora.

El equipo utilizó espuma de níquel porosa como base para su electrodo, porque proporciona una superficie muy grande para soportar nanopartículas catalíticas activas. Luego cubrieron la espuma con un compuesto de cobalto-tiourea, y lo calentó para romper la tiourea, que liberó azufre. Este azufre reaccionó con los metales para formar nanopartículas de sulfuro de cobalto y sulfuro de níquel. Los investigadores estudiaron la estructura y composición de las nanopartículas utilizando una variedad de técnicas, incluyendo difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido.

Durante la reacción, la electricidad ayuda a los átomos de metal de la superficie de estas nanopartículas a extraer un átomo de hidrógeno de una molécula de agua. El átomo de hidrógeno luego se combina con otro átomo de hidrógeno, ya sea en la superficie de la nanopartícula, o de otra molécula de agua, para producir hidrógeno gaseoso (H2). Crucialmente, las nanopartículas de sulfuro metálico funcionan bien en las condiciones alcalinas normalmente necesarias para la reacción paralela que genera oxígeno durante la división del agua.

El equipo de Lim demostró que variar la temperatura y la duración del paso de calentamiento utilizado para preparar las nanopartículas tuvo un efecto dramático en su composición y proporciones relativas. y las pruebas demostraron que esto determinaba su actividad en la reacción de desprendimiento de hidrógeno. El calentamiento prolongado hizo que algunas de las nanopartículas se agruparan, por ejemplo, y también aumentó la proporción de sulfuro de cobalto, lo que redujo significativamente la actividad del catalizador.

El mejor rendimiento provino del sulfuro de metal mixto que se había calentado a 500 grados Celsius durante solo 10 minutos (ver imagen). Se requirió un voltaje relativamente bajo de 163 milivoltios para iniciar la reacción de desprendimiento de hidrógeno, solo 47 milivoltios más que un electrocatalizador de platino comercial, y comparable a las mejores alternativas. El catalizador no mostró degradación durante tres días de reacciones continuas.

"El catalizador mixto combina las buenas propiedades de los catalizadores de níquel y cobalto para lograr un rendimiento superior, ", dice Lim. Su equipo planea utilizar un enfoque similar para personalizar nanopartículas catalíticas para una reacción diferente que convierte el dióxido de carbono en combustibles.