Los científicos han estado desconcertados durante mucho tiempo por qué es más fácil producir hidrógeno a partir del agua en un ambiente ácido que en un ambiente alcalino. Marc Koper viene con una explicación:la razón es el campo eléctrico en la superficie del catalizador, que es más grande en un ambiente alcalino, como escribe en una publicación en Energía de la naturaleza el 20 de marzo.

Producir hidrógeno de manera más eficiente

Marc Koper es profesor de Catálisis y Química de Superficies y realiza investigaciones sobre energía sostenible, como el uso de hidrógeno como combustible. "El hidrógeno es una fuente de energía limpia, que todavía no podemos hacer de forma limpia a gran escala. Porque sabemos ahora que el campo eléctrico juega un papel importante, estamos en mejores condiciones de ajustar los sistemas actuales para hacerlos más eficientes, "dice Koper.

Para convertir electroquímicamente el agua en hidrógeno y oxígeno, Son necesarios electrodos:un cátodo negativo y un ánodo positivo. "El cátodo es donde se produce el hidrógeno. Para ello, el platino es el mejor catalizador, al menos en un ambiente ácido. Para el ánodo, donde se forma el oxígeno, el iridio es el mejor catalizador. Y ese es el metal más raro de la tierra ".

Níquel barato

"En un ambiente alcalino puedes usar níquel en lugar de iridio, que es mucho más barato. Sin embargo, la producción de hidrógeno es mucho más difícil en un ambiente alcalino que en un ambiente ácido. El cátodo requiere un voltaje más alto para producir hidrógeno, lo que hace que todo el proceso sea menos eficiente ".

Nadando en un campo eléctrico

Marc Koper y su grupo sospecharon que la fuerza del campo eléctrico juega un papel en la velocidad de la reacción. "En un ambiente ácido, hay un campo eléctrico más débil en el electrodo de platino a un voltaje dado que en un ambiente alcalino. Un campo eléctrico fuerte hace que las moléculas de agua estén casi "congeladas". Las partículas cargadas, como los protones y los iones de hidróxido, tienen pocos problemas para moverse cuando las moléculas de agua se mueven fácilmente. Pero en un ambiente alcalino el campo eléctrico es fuerte, resultando en moléculas de agua que no pueden moverse cuando una partícula cargada necesita pasar. Para estas partículas, es más difícil alcanzar el electrodo de platino. Esa es la razón por la que la reacción es más lenta que en un ambiente ácido, "Koper ilustra su teoría.

Nos preguntamos:¿cómo se mide como un campo eléctrico cerca de la superficie del electrodo? ”, Dice Koper.“ Los colegas de la Universidad de Alicante en España desarrollaron un método especial para medir este campo, por eso los visitó nuestra doctora Isis Ledezma-Yáñez. Las medidas coincidieron con nuestro modelo. Próximo, probaremos si el modelo también es correcto con otros catalizadores además del platino ".

Es más, Esta investigación ofrece a Koper una nueva forma de mejorar los sistemas que producen hidrógeno a partir del agua. "Antes de esta investigación, solo nos centramos en la energía de enlace del catalizador con el hidrógeno. Esto no debería ser demasiado fuerte, pero tampoco debe ser demasiado débil. Ahora sabemos que la fuerza del campo eléctrico también juega un papel importante. Realizaremos más experimentos para probar esto, por ejemplo, variando la composición de la solución.

La forma en que se forma el hidrógeno es diferente en un ambiente ácido en comparación con un ambiente alcalino.

Entorno ácido

Un protón (una partícula con carga positiva) se mueve a través de la solución de agua hacia la superficie del platino y se une al platino como un átomo de hidrógeno.

Dos átomos de hidrógeno que están unidos a la superficie, se unen y forman hidrógeno.

Ambiente alcalino

El agua reacciona en la superficie del platino, dando como resultado un átomo de hidrógeno unido al platino y un ion hidróxido cargado negativamente (OH ^- ).

El ion hidróxido se mueve hacia la solución acuosa alejándose de la superficie del platino. Debido al fuerte campo eléctrico y al correspondiente agua 'congelada', este paso es lento.