Las nuevas pautas establecidas por investigadores chinos y de Nebraska podrían orientar el diseño de catalizadores más eficientes orientados a acelerar la producción de hidrógeno como combustible renovable.

Xiao Cheng Zeng de Nebraska y sus colegas han identificado varios factores pasados ​​por alto críticos para el rendimiento de los catalizadores de un solo átomo:átomos individuales, generalmente metálico y anclado por estructuras moleculares circundantes, que ponen en marcha y aceleran las reacciones químicas.

El equipo reunió esas variables en una ecuación simple que requería lo que Zeng describió como "cálculos básicos". Esa ecuación debería permitir a los investigadores predecir fácilmente cómo la elección del átomo y su material circundante afectará el rendimiento catalítico. Hasta la fecha, Los investigadores a menudo se han basado en pruebas y errores que consumen mucho tiempo para encontrar catalizadores prometedores de un solo átomo.

"Toda esta información (relevante) se puede obtener fácilmente de un libro de texto, "dijo Zeng, Catedrático de Química de la Universidad del Canciller. "Incluso antes de un experimento, puede ver rápidamente si es una buena forma de hacer el catalizador. Estamos simplificando el proceso ".

Usando su ecuación, El equipo descubrió varias combinaciones de estructura de átomo que se aproximan al rendimiento de los catalizadores de metales preciosos:platino, oro, iridio — a meras milésimas del costo. Uno cambió un átomo de platino por manganeso; otro reemplazó el iridio con cobalto.

"Hay dos formas (principales) de reducir el precio de estos catalizadores, ", Dijo Zeng." Una es usar la menor cantidad posible de metales, por lo que los catalizadores de un solo átomo son los más baratos. La otra dirección es encontrar metales alternativos como el hierro, el aluminio o el zinc que sean muy baratos ".

Dos de las combinaciones de estructura de átomo del equipo pueden dividir el agua en sus partes constituyentes:un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, el último de los cuales puede servir como combustible verde para vehículos y otras aplicaciones. Otros dos candidatos a catalizador ayudan a los átomos de oxígeno a absorber más electrones, preparándolos para que se unan con átomos de hidrógeno cargados positivamente y formen agua, el subproducto deseado de las celdas de combustible de hidrógeno.

"Ahora, esta no es la forma predominante de producir hidrógeno, ", Dijo Zeng." La industria todavía utiliza combustibles fósiles para producir hidrógeno. Simplemente es más barato. Así que esa es nuestra motivación:reducir el costo para que todos estos productos más limpios, las reacciones que producen combustible se vuelven (viables) ".

Informe de exploración

Los investigadores encontraron que el número y la naturaleza de los átomos directamente unidos a un catalizador de un solo átomo pueden afectar profundamente la forma en que cataliza las reacciones químicas. En ciertas ocasiones, el átomo catalizador podría estar unido a otros tres o cuatro átomos, cada uno de los cuales es en sí mismo parte de un anillo de cinco o seis átomos. Cada átomo de esa red inmediata también tiene una atracción conocida por los electrones, con la fuerza de esa atracción que influye aún más en el rendimiento catalítico.

La disposición y las cualidades de esos átomos vecinos son importantes, Zeng dijo:de la misma manera que una línea ofensiva le importa a un estacionario, mariscal de campo de pases de bolsillo. Y la nueva ecuación del equipo podría actuar como un informe de exploración para los investigadores que buscan ampliar las fortalezas o cubrir las debilidades de su personal. él dijo.

Para Zeng y sus colegas, que el personal estaba formado por más de 20 de los denominados metales de transición, que en general son peores que los metales preciosos en las reacciones catalizadoras. Pero el equipo demostró que rodeando un cobalto, hierro u otro átomo de segunda cadena con el entorno adecuado, a veces un panal de átomos de carbono conocido como grafeno, a veces, una red de átomos de nitrógeno puede elevar su rendimiento.

"Cada línea ofensiva es diferente, "Dijo Zeng." ¿Cómo haces que el mariscal de campo funcione mejor en ese bolsillo? ¿Cómo encuentras al mejor mariscal de campo dentro de diferentes bolsillos?

"Si tienes un mariscal de campo de dos estrellas, necesitas una mejor línea ofensiva. Pero incluso un mariscal de campo suplente puede desempeñarse bien con la línea correcta ".

Zeng fue el autor del estudio con colegas de la Universidad de Tecnología Química de Beijing. El estudio apareció en la revista Catálisis de la naturaleza y fue destacado en Noticias de química e ingeniería , una revista publicada por la American Chemical Society.