La "economía de la energía limpia" siempre parece estar a unos pasos de distancia, pero nunca del todo aquí. La mayor parte de la energía para el transporte la calefacción, la refrigeración y la fabricación todavía se realizan utilizando insumos de combustibles fósiles. Pero con algunos avances científicos, hidrógeno, el elemento más abundante del universo, podría ser el portador de energía de una futura sociedad de energías limpias. Dando un paso más hacia la meta difícil de alcanzar, un equipo de científicos de Penn State y Florida State University ha desarrollado un catalizador de menor costo y escalable industrialmente para producir hidrógeno puro a través de un proceso de separación de agua de baja energía.

"La energía es el tema más importante de nuestro tiempo, y por energía, Las celdas de combustibles son de vital importancia. Y luego para las celdas de combustible, el hidrógeno es lo más importante, "dice Yu Lei, un candidato a doctorado en Penn State y primer autor de un nuevo artículo en ACS Nano describiendo el catalizador de división del agua que ella y sus colegas predijeron y sintetizaron teóricamente en el laboratorio. "La gente ha estado buscando un buen catalizador que pueda dividir de manera eficiente el agua en hidrógeno y oxígeno. Durante este proceso, no habrá productos secundarios que no sean ecológicos ".

El método industrial actual de producción de hidrógeno - reformado con vapor de metano - da como resultado la liberación de CO2 a la atmósfera. Otros métodos utilizan calor residual, como las de plantas de energía nuclear avanzadas, o energía solar concentrada, ambos enfrentan desafíos técnicos para ser comercialmente factibles. Otro proceso industrial utiliza platino como catalizador para impulsar el proceso de separación del agua. Aunque el platino es un catalizador casi perfecto, también es caro. Un catalizador más barato podría hacer del hidrógeno una alternativa razonable a los combustibles fósiles en el transporte, y pilas de combustible para aplicaciones de almacenamiento de energía.

"Se ha pronosticado que el disulfuro de molibdeno (MoS2) es un posible reemplazo del platino, debido a que la energía libre de Gibbs para la absorción de hidrógeno es cercana a cero, "dice Mauricio Terrones, profesor de física, ciencia e ingeniería de materiales y química en Penn State. Cuanto menor sea la energía libre de Gibbs, la menor cantidad de energía externa tiene que aplicarse para producir una reacción química.

Sin embargo, experimentalmente, Existen inconvenientes en el uso de MoS2 como catalizador. En su fase estable, MoS2 es un semiconductor, lo que limita su capacidad para conducir electrones. Para solucionar ese problema, el equipo agregó óxido de grafeno reducido, una forma de carbono altamente conductora. Luego, para disminuir aún más la energía libre, Alearon el MoS2 con tungsteno para crear una película delgada con capas alternas de grafeno y disulfuro de tungsteno-molibdeno. La adición de tungsteno reduce el voltaje eléctrico requerido para dividir el agua a la mitad, desde 200 milivoltios con MoS2 puro, a 96 milivoltios con la aleación de tungsteno-molibdeno.

El proceso de división del agua utiliza una cantidad muy pequeña de energía eléctrica aplicada a un electrodo sumergido en agua. Usando este pequeño potencial, los protones de la solución se pueden absorber en la superficie del catalizador. Luego, dos protones migrarán juntos para formar una burbuja de hidrógeno que asciende a la superficie y libera el hidrógeno.

Desde el punto de vista teórico, los orbitales de los electrones juegan un papel crucial. En el caso de MoS2 puro, los orbitales del metal no se superponen bien con el orbital del hidrógeno en el paso clave de la reacción; sin embargo, cuando la aleación está presente, estos orbitales interactúan bien y hacen que la reacción sea más eficiente. Esto es similar a lo que hace el platino, y la razón por la que el platino es tan eficiente energéticamente en esta reacción química. Sin embargo, en este trabajo, Los investigadores demostraron que se pueden utilizar elementos más baratos y abundantes y alcanzar una eficiencia que supera a todos los mejores catalizadores.

“Lo que sucede en estas aleaciones es una superposición exquisita de orbitales que hace que la reacción sea más eficiente. Esto no se observa en los componentes puros. Es un ejemplo donde el híbrido es mejor que los componentes puros, "dice José L. Mendoza-Cortes, profesor de ingeniería química, ciencia e ingeniería de materiales y computación científica en el estado de Florida.

Las pilas de combustible de hidrógeno pueden impulsar una economía de energía limpia no solo en el sector del transporte, donde el abastecimiento de combustible rápido y el alcance del vehículo superan a los vehículos que funcionan con baterías, sino también para almacenar energía eléctrica producida por energía solar y eólica. Este trabajo es un paso más para alcanzar ese objetivo.