Un electrocatalizador creado en la Universidad de Rice demostró ser tan eficaz como el platino para la producción de hidrógeno. El proceso crea burbujas de hidrógeno entre los planos del material en capas, que rompe las capas y hace que los sitios catalíticos sean más accesibles. Crédito:Yuanyue Liu / Rice University
Los científicos de la Universidad de Rice y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han predicho y creado nuevos electrocatalizadores bidimensionales para extraer hidrógeno del agua con alto rendimiento y bajo costo.
En el proceso, también crearon un modelo simple para seleccionar materiales en busca de actividad catalítica.
Varios catalizadores fueron modelados por el físico teórico de Rice, Boris Yakobson, y el autor principal, Yuanyue Liu, un ex estudiante de posgrado en su laboratorio, y fabricado y probado por científicos de materiales de Rice dirigidos por Pulickel Ajayan y Jun Lou. Descubrieron que los nuevos catalizadores de dicalcogenuro coincidían con la eficiencia del platino, el catalizador de reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) más común en las celdas de división de agua, y se pueden fabricar a una fracción del costo.
El estudio aparece en Energía de la naturaleza .
Los científicos que han estado probando dicalcogenuros de molibdeno y tungsteno como posibles catalizadores de HER se sintieron frustrados al encontrar que los sitios activos tendían a concentrarse en los bordes de las plaquetas metálicas. un pequeño porcentaje de la superficie del material.
El equipo de Rice recurrió al niobio y el tantalio, otros dos metales de transición (y electrocatalizadores denominados Grupo 5 por su posición media en la tabla periódica). Ellos combinaron cada uno con azufre, esperando que los nuevos compuestos tengan sitios activos a lo largo de sus planos basales.
Resultó que el hidrógeno producido a lo largo de los aviones hizo algo inesperado para hacer que los materiales fueran aún más efectivos. "El proceso genera burbujas de hidrógeno entre las capas, que comienza a romperlos, Yakobson dijo:"Esto hace que las capas sean más accesibles y aumenta el número de sitios activos".
Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra una escama del electrocatalizador bidimensional desarrollado en la Universidad de Rice. El material hecho de un metal de transición y azufre demostró ser capaz de extraer hidrógeno del agua con alto rendimiento y bajo costo. Crédito:Grupo Yakobson / Universidad Rice
Las plaquetas multicapa que componen ambos catalizadores se volvieron más delgadas, más pequeños y más dispersos a medida que se auto-optimizan, los investigadores observaron. El adelgazamiento acortó el camino que deben recorrer los electrones, que redujo la resistencia de transferencia de carga.
Liu dijo que las mejoras de rendimiento en ambos electrocatalizadores estaban directamente relacionadas con cambios en la forma física de los materiales a pesar de que no se observaron cambios en sus propiedades químicas o cristalinas.
"Este trabajo es una buena combinación de teoría y experimento, "dijo Liu, quien comenzó el proyecto durante una beca de 2013 en Lawrence Livermore. "Primero analizamos por qué los viejos catalizadores (dicalcogenuros de molibdeno y tungsteno) no funcionan bien y usamos este conocimiento para predecir nuevos catalizadores. Luego recurrimos a nuestros colegas experimentales:que hizo y probó con éxito los materiales y verificó nuestras predicciones ".
Yakobson dijo que el método de Liu para modelar el material puede ser tan importante como el material en sí. "De hecho, Yuanyue creó una nueva forma abreviada de evaluar el rendimiento catalítico, ", dijo." La forma antigua era calcular directamente la energía de enlace del reactivo, como el hidrogeno, a la superficie. En lugar de, Elegimos la propiedad del catalizador para que sirviera como descriptor, sin tener que preocuparnos por lo que se absorbió.
"Este trabajo es un raro ejemplo de la iniciativa del genoma de materiales en acción, ", dijo." La teoría desarrolla un descriptor para acelerar la búsqueda entre numerosas posibilidades de materiales y para acelerar el descubrimiento en comparación con la experimentación de prueba y error. "La iniciativa es un programa federal para acelerar el descubrimiento y la implementación de materiales avanzados.
Las burbujas de gas hidrógeno se desprenden del agua en las superficies del electrocatalizador de disulfuro de tantalio. La actividad catalítica en dicalcogenuros metálicos en capas como estos generalmente se limita a los bordes, pero este trabajo reporta nuevos materiales que también pueden generar hidrógeno en las superficies. Crédito:Ryan Chen / LLNL.
Los investigadores esperan que el comportamiento de autooptimización de los materiales tenga ventajas prácticas para el procesamiento escalable.
"Encontrar catalizadores tensioactivos en materiales estratificados es un importante paso adelante para la producción de hidrógeno utilizando catalizadores de metales no nobles, "dijo el coautor Lou, profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería y de química. "También es muy importante que tales actividades superficiales puedan verificarse directamente de forma experimental, allanando el camino para futuras aplicaciones ".
