El hidrógeno es uno de los combustibles limpios más prometedores para su uso en automóviles, casas y generadores portátiles. Cuando se produce a partir de agua utilizando recursos energéticos renovables, también es un combustible sostenible sin huella de carbono.

Sin embargo, Los sistemas de división de agua requieren un catalizador muy eficiente para acelerar la reacción química que divide el agua en hidrógeno y oxígeno. al tiempo que evita que los gases se vuelvan a combinar en agua. Ahora un equipo de investigación internacional, incluidos científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, ha desarrollado un nuevo catalizador con un revestimiento de molibdeno que previene esta problemática reacción inversa y funciona bien en condiciones de funcionamiento realistas.

Una parte clave del desarrollo se centró en comprender cómo funcionaba el recubrimiento de molibdeno mediante experimentos en la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Los científicos informaron sus resultados el 13 de abril en Angewandte Chemie .

"Cuando se divide el agua en hidrógeno y oxígeno, Los productos gaseosos de la reacción se recombinan fácilmente en agua y es crucial evitarlo. "dijo Ángel García-Esparza, autor principal y actualmente investigador postdoctoral de la Ecole Normale Supérieure de Lyon. "Descubrimos que un catalizador recubierto de molibdeno es capaz de producir selectivamente hidrógeno a partir del agua mientras inhibe las reacciones de retroceso de la formación de agua".

Los experimentos demostraron que su estrategia de recubrimiento de molibdeno tiene aplicaciones en dispositivos de electrocatálisis y fotocatálisis, añadió García-Esparza. Estos son dispositivos que ayudan a impulsar una reacción utilizando electricidad o luz.

Buscando estabilidad

García-Esparza ayudó a desarrollar el nuevo catalizador como estudiante de posgrado en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST) en Arabia Saudita bajo la dirección de Kazuhiro Takanabe, profesor asociado de ciencia química en KAUST. El grupo de investigación de Takanabe exploró la estabilidad, rendimiento y función de muchos elementos diferentes antes de seleccionar el molibdeno como revestimiento para un catalizador estándar a base de platino.

"Encontrar un recubrimiento que funcionara bien en el electrolito ácido utilizado para la división del agua fue un gran desafío para mis colaboradores. porque muchos materiales se degradan rápidamente en condiciones ácidas, "dijo el coautor Dimosthenis Sokaras, un científico de planta en SLAC.

De los revestimientos que probaron, "El molibdeno fue el material de mejor rendimiento en medios ácidos, donde las condiciones para el desprendimiento de hidrógeno son favorables y fáciles, "García-Esparza explicó.

Probando el rendimiento

Otro gran desafío fue encontrar una manera de medir las propiedades de su catalizador recubierto de molibdeno, porque estos compuestos de molibdeno no son estables cuando se exponen al aire. "Sacar el catalizador del agua perturba la identidad del material, "dijo García-Esparza." Por lo tanto, fue necesario estudiar el electrocatalizador en condiciones de trabajo, lo cual es difícil ".

Así que García-Esparza pasó un verano realizando experimentos electroquímicos en SSRL para caracterizar el nuevo catalizador en condiciones operativas. "La idea era trabajar juntos para ver cómo funcionaba el catalizador recubierto de molibdeno y determinar su estructura electrónica cuando estaba funcionando, ", dijo Sokaras." Queríamos entender por qué no ocurre la reacción de espalda ".

Probaron un catalizador de platino desnudo, con y sin revestimiento de molibdeno, durante la electrólisis del agua en SSRL, utilizando en operando espectroscopia de absorción de rayos X con una celda electroquímica hecha a medida. "En SSRL, esencialmente pudimos hacer electroquímica mientras analizamos la muestra con radiación de sincrotrón, García-Esparza dijo. "Los experimentos realizados en SLAC fueron la pieza final del rompecabezas para determinar la estructura local y el estado del electrocatalizador en las condiciones operativas de producción de hidrógeno".

"Nuestros hallazgos apoyan que la capa de molibdeno actúa como una membrana para bloquear los gases de oxígeno e hidrógeno para que no lleguen cerca de la superficie del platino, que previene la formación de agua, "Dijo Sokaras.

Además, el equipo de investigación exploró las aplicaciones de la fotocatálisis. Construyeron un sistema fotocatalítico de separación de agua usando un catalizador estándar de platino sobre óxido de estroncio y titanio (Pt / SrTiO3) o el mismo catalizador recubierto con molibdeno. Ambos sistemas se probaron en KAUST con las luces encendidas y apagadas, es decir, con y sin una fuente de energía que impulse la reacción de disociación del agua.

Cuando la luz estaba encendida el catalizador estándar de Pt / SrTiO3 aumentó la producción de hidrógeno durante solo seis horas porque el sistema perdió eficiencia debido a la reacción inversa. Cuando las luces se apagaron, la cantidad de hidrógeno disminuyó con el tiempo, verificando que cantidades significativas de gases se recombinaran para formar agua.

A diferencia de, el catalizador recubierto de molibdeno divide continuamente el agua para generar cantidades crecientes de gas hidrógeno durante 24 horas, produciendo aproximadamente el doble de gas hidrógeno que el catalizador estándar en un día. Además, la cantidad de hidrógeno se mantuvo estable en la oscuridad, confirmando que el recubrimiento inhibió la formación de agua

Estos resultados son prometedores, pero aún se necesita hacer más trabajo antes de que el catalizador pueda usarse en un dispositivo práctico. Sokaras dijo, "Creo que estamos lejos de hablar de un dispositivo comercial, pero ciertamente es una gran mejora tener este nuevo material catalizador que previene la reacción inversa. Ahora tenemos que encontrar una manera de hacer que el recubrimiento sea más estable para que produzca hidrógeno durante más tiempo ".