Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que el cerio es el mejor elemento para utilizar al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, una técnica clave en la creación de gas hidrógeno como combustible. Pero por qué, exactamente, el cerio tiene tanto éxito ha sido mucho menos entendido.

Ahora, un equipo de la Universidad Northwestern dirigido por Chris Wolverton ha descubierto que la entropía electrónica del cerio, que se crea cuando un electrón pasa de un estado a otro dentro de una capa de electrones, es la razón subyacente de su éxito. Este hallazgo podría ayudar a los investigadores a aprovechar mejor la entropía del cerio para las tecnologías de división del agua.

"Para que la división del agua sea lo suficientemente rápida como para ser práctica, necesitas una gran cantidad de entropía, "dijo Wolverton, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Resulta que el cerio es mágico para la entropía".

Apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., la investigación fue publicada recientemente en Comunicaciones de la naturaleza . Shahab Naghavi, becario postdoctoral en el Grupo de Investigación Wolverton, sirvió como primer autor del artículo.

Desde la década de 1970, los investigadores han promocionado el potencial de una "economía del hidrógeno, "en el que el hidrógeno reemplazaría a la gasolina para alimentar el transporte terrestre. Cuando se quema, el único subproducto del hidrógeno es el agua, haciéndolo ambientalmente más limpio y más eficiente energéticamente que sus alternativas de combustibles fósiles. Gas hidrógeno puro, sin embargo, es muy raro en la atmósfera terrestre.

"El problema es:¿cómo se obtiene el hidrógeno en primer lugar?" Preguntó Wolverton. "En la actualidad, tienes que quemar hidrocarburos, pero eso produce dióxido de carbono ".

La división del agua (o vapor) podría producir de manera limpia y eficiente suficiente hidrógeno puro para hacer que la economía del hidrógeno sea una verdadera posibilidad. Para separar el hidrógeno del oxígeno, los investigadores utilizan el calor generado por la radiación solar y el óxido de cerio, o ceria. Usando la luz del sol para calentar la ceria a 1, 000- a 1, 500 grados Celsius provocan una serie de reacciones que hacen que el hidrógeno se separe.

Wolverton y otros sabían previamente que la entropía era clave para hacer posible esta reacción, pero no pudieron encontrar la fuente de la entropía del cerio. "La mayoría de la gente pensaba que la entropía se debía a la mezcla de oxígeno o vibraciones del calor, ", Dijo Wolverton." Pero descubrimos que es una fuente diferente, y no es lo que podrías pensar ".

Para que la reacción química que impulsa la división del agua sea exitosa, el cerio en el óxido debe ganar un electrón. Y ese único electrón da lugar a una gran cantidad de entropía.

"Si hay varios lugares para el electrón, que da lugar a la entropía electrónica, "Wolverton explicó." El electrón puede pasar de un estado a otro y crea desorden en la escala electrónica, y por lo tanto, entropía ".

La familia de elementos del cerio, conocida como tierras raras, tiene naturalmente más estados de electrones alrededor de los cuales el electrón puede moverse. El equipo de Wolverton calculó la entropía electrónica de las 17 tierras raras y descubrió que el cerio presentaba la mayor cantidad.

"Por mucho tiempo, hemos sabido que el cerio es bueno para dividir el agua, pero no sabíamos muy bien por qué ", Dijo Wolverton." Ahora sabemos parcialmente por qué, y eso abre posibilidades para trabajos futuros ".