Un catalizador desarrollado por la Universidad de Rice y la Universidad de Houston divide el agua en hidrógeno y oxígeno sin la necesidad de metales costosos como el platino. Esta imagen de microscopio electrónico muestra espuma de níquel recubierta con grafeno y luego la superficie catalítica de hierro, manganeso y fósforo. Crédito:Desmond Schipper / Rice University
La división del agua en hidrógeno y oxígeno para producir energía limpia se puede simplificar con un solo catalizador desarrollado por científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Houston.
La película electrolítica producida en Rice y probada en Houston es una estructura de tres capas de níquel, grafeno y un compuesto de hierro, manganeso y fósforo. El níquel espumoso le da a la película una gran superficie, el grafeno conductor protege al níquel de la degradación y el fosfuro metálico lleva a cabo la reacción.
El material robusto es el tema de un artículo en Nano energía .
El químico de Rice Kenton Whitmire y el ingeniero eléctrico e informático de Houston Jiming Bao y sus laboratorios desarrollaron la película para superar las barreras que generalmente hacen que un catalizador sea bueno para producir oxígeno o hidrógeno. pero no ambos simultáneamente.
"Los metales regulares a veces se oxidan durante la catálisis, "Dijo Whitmire." Normalmente, se realiza una reacción de desprendimiento de hidrógeno en ácido y una reacción de desprendimiento de oxígeno en base. Tenemos un material que es estable, ya sea en una solución ácida o básica ".
El descubrimiento se basa en la creación de los investigadores de un catalizador de evolución de oxígeno simple revelado a principios de este año. En ese trabajo, el equipo cultivó un catalizador directamente en una matriz de nanobarras semiconductoras que convertía la luz solar en energía para la división del agua solar.
La electrocatálisis requiere dos catalizadores, un cátodo y un ánodo. Cuando se coloca en agua y se carga, se formará hidrógeno en un electrodo y oxígeno en el otro, y estos gases son capturados. Pero el proceso generalmente requiere metales costosos para operar de manera tan eficiente como el catalizador del equipo de Rice.
Una película de espuma de níquel de gran superficie recubierta con grafeno y un compuesto de hierro, el manganeso y el fósforo sirven como catalizador de división del agua que puede producir hidrógeno y oxígeno simultáneamente. El material fue creado en la Universidad de Rice y probado en la Universidad de Houston. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"El estándar para el desprendimiento de hidrógeno es el platino, ", Dijo Whitmire." Estamos usando materiales abundantes en la Tierra:hierro, manganeso y fósforo, a diferencia de los metales nobles que son mucho más caros ".
El nuevo catalizador también requiere menos energía, Dijo Whitmire. "Si quieres producir hidrógeno y oxígeno, tienes que poner energía, y cuanto más pones, cuanto menos viable comercialmente sea, "Dijo." Quieres hacerlo con la mínima cantidad de energía posible. Ese es un beneficio de nuestro material:el sobrepotencial (la cantidad de energía requerida para activar la electrocatálisis) es pequeño, y bastante competitivo con otros materiales. Cuanto más bajo puedas conseguirlo, cuanto más te acerques a hacerlo lo más eficiente posible para la división del agua ".
Grafeno la forma de carbono de un átomo de espesor, es clave para proteger el níquel subyacente. Se forman de una a tres capas de grafeno sobre la espuma de níquel en un horno de deposición química de vapor (CVD), y el hierro, además de eso, se agregan manganeso y fósforo, también a través de CVD y de un único precursor.
Las pruebas del laboratorio de Bao compararon la espuma de níquel y el fosfuro con y sin grafeno en el medio y encontraron que el grafeno conductor reducía la resistencia a la transferencia de carga para las reacciones de hidrógeno y oxígeno.
"El níquel es uno de los mejores catalizadores para producir grafeno, "dijo el coautor principal Desmond Schipper, un estudiante graduado de Rice. "Esencialmente, estamos usando el níquel para ayudar a mejorar el níquel ". Dijo que el manganeso también agrega un nivel de protección.
Whitmire dijo que el material es escalable y debería encontrar uso en industrias que producen hidrógeno y oxígeno o en instalaciones de energía solar y eólica que pueden usar electrocatálisis para almacenar energía fuera de las horas pico.
También puede adaptarse para producir otros materiales avanzados. "Nuestro método podría ser ampliamente aplicable a una gran cantidad de materiales de fosfuro metálico para catalizadores, no solo para la división de agua, pero para una variedad de cosas, " él dijo.
"Un factor crítico es que podemos hacer materiales de fase pura con diferentes composiciones. Actualmente, las personas tienen muy poco control sobre la fase que obtienen en una superficie, y en muchos casos consiguen una mezcla. Cuando eso pasa, no saben qué fase es realmente responsable de la catálisis. Con nuestro proceso, ellos pueden saber ".
