El equilibrio es la base de una vida feliz o una dieta saludable. Para los científicos que trabajan para diseñar nuevos catalizadores para crear energía renovable, equilibrar los diferentes materiales y sus propiedades es igualmente importante. (Los catalizadores ayudan a acelerar las reacciones químicas).

En un nuevo estudio, investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Universidad Johns Hopkins, La Universidad de Drexel y varias universidades de Corea del Sur utilizaron un enfoque nuevo y contrario a la intuición para crear un mejor catalizador que respalde una de las reacciones involucradas en la división del agua en hidrógeno y oxígeno. Los científicos planean utilizar el hidrógeno generado como combustible limpio.

Al crear primero una aleación de dos de los elementos naturales más densos y luego eliminar uno, Los científicos reformaron la estructura del material restante para equilibrar mejor tres factores importantes para las reacciones químicas:actividad, estabilidad y conductividad.

"Encontrar un material que funcione bien para la conversión o el almacenamiento de energía es como crear un matrimonio feliz, "dijo Nenad Markovic, un científico de materiales de Argonne y autor del estudio. "En nuestro caso, Descubrimos que una asociación dinámica entre dos materiales diferentes nos ayudó a integrar preocupaciones en competencia ".

Los científicos que buscan nuevos catalizadores han revisado la tabla periódica para encontrar los elementos correctos o combinaciones de elementos para maximizar la actividad de un catalizador en reacciones de división de agua. así como la durabilidad de los sitios activos en su superficie. Encontrar materiales que sean tanto estables como activos, sin embargo, ha sido un desafío.

"Los catalizadores más activos tienden a ser menos estables, ", Dijo Markovic." Aquellos que parecen funcionar el doble de bien normalmente funcionan sólo la mitad de tiempo. Se está volviendo obvio que el diseño de catalizadores activos no es suficiente; necesitamos tener no solo activos, pero también estable, materiales ".

Para el nuevo catalizador, Markovic y sus colegas recurrieron al iridio, un metal más comúnmente asociado con los meteoritos. Como una fina película el iridio es catalíticamente activo, pero como reacciona con el tiempo con un ambiente electrolítico, los átomos de iridio se oxidan. Durante este proceso, algunos de ellos abandonan la superficie del catalizador a través de la corrosión, deteriorando cada vez más su rendimiento.

El equipo de investigación trabajó para prevenir la oxidación reorganizando la estructura del iridio. Para ayudar a estabilizar y activar el iridio, lo alearon con su vecino en la tabla periódica, osmio.

A diferencia del iridio, el osmio no es catalíticamente activo ni estable, pero ofreció un beneficio clave. Después de alear el osmio y el iridio juntos, Luego, los investigadores desalearon los dos metales, dejando atrás solo una estructura reconfigurada de nanoporos de iridio tridimensionales.

"Sin el osmio, el iridio nunca alcanzaría este estado, ", Dijo Markovic." Necesitábamos introducir y luego eliminar el osmio para obtener una forma de iridio que fuera activo y estable ".

Markovic dijo que la estabilidad catalítica mejorada de cada nanoporo se debe a que el pequeño volumen de electrolito dentro de un poro se satura rápidamente con iones de iridio para que los átomos de la superficie dejen de disolverse. de la misma manera que es más fácil saturar una taza de agua con azúcar que una jarra de 10 galones.

Si bien la estructura del nanoporo abordó la necesidad de un estable, catalizador activo, fue otra faceta de la reconfiguración del iridio que ayudó a impulsar la conductividad electrónica del material. En condiciones operativas, el catalizador poroso en realidad forma una capa única de óxido de iridio menos conductor alrededor de su interior de metal de iridio altamente conductor. De esta manera, los electrones pueden moverse fácilmente a través de la mayor parte del catalizador para llegar a la superficie, donde la molécula de agua espera a que los electrones inicien la reacción de división del agua.

"Esencialmente, estamos tratando de encontrar una manera de enviar electrones a través de la 'autopista, 'en lugar de obligarlos a tomar las carreteras secundarias, Markovic dijo:"Esta configuración núcleo-capa [del material nanoporoso] nos permite hacer eso".

El estudio, "Equilibrar la actividad, Estabilidad y conductividad de catalizadores de desprendimiento de oxígeno de óxido de iridio / óxido de iridio nanoporoso núcleo-capa, "apareció en la edición del 13 de noviembre de Comunicaciones de la naturaleza .