El hidrógeno producido a partir del agua por la reacción de desprendimiento de hidrógeno es una fuente de combustible limpia y atractiva. La producción de hidrógeno a gran escala a bajo costo es necesaria para realizar su viabilidad como fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles. Para alcanzar esta meta, durable, Se requieren catalizadores económicos. La mayoría de los catalizadores actuales basados en metales no preciosos adolecen de inestabilidad en las soluciones ácidas formadas durante el desprendimiento de hidrógeno. Sin embargo, simplemente proteger el catalizador de la solución ácida tiende a disminuir su actividad.
Una colaboración liderada por la Universidad de Tsukuba ha optimizado recientemente un enfoque para aumentar la estabilidad de los catalizadores utilizados en la reacción de desprendimiento de hidrógeno sin sacrificar notablemente la actividad. El equipo descubrió que recubrir las nanopartículas del catalizador con un número óptimo de capas de grafeno, una hoja de átomos de carbono organizada en una red de panal con alta conductividad y resistencia mecánica, aumentaba la durabilidad de las nanopartículas al tiempo que permitía que las nanopartículas conservaran su actividad catalítica. El estudio se informó en ACS Energy Letters.
"Optimizamos el equilibrio entre el número de capas de grafeno que recubren las nanopartículas y su actividad catalítica, ", dice el primer autor del estudio, Kailong Hu." Para hacer esto, tuvimos que controlar con precisión la cantidad de capas de grafeno que recubren las nanopartículas, lo que logramos regulando cuidadosamente el tiempo de deposición del grafeno en las nanopartículas ".
Se fabricó una serie de muestras de nanopartículas recubiertas con diferentes números de capas de grafeno, caracterizada, y luego se determinó su actividad catalítica en la reacción de desprendimiento de hidrógeno. Las nanopartículas de catalizador recubiertas con el número óptimo de capas de grafeno, que era solo de tres a cinco capas, mostró una actividad similar en la reacción de desprendimiento de hidrógeno a la de un catalizador costoso a base de platino. En tono rimbombante, estas nanopartículas también exhibieron una alta estabilidad; el recubrimiento de grafeno evitó que las nanopartículas metálicas se disolvieran en la solución de reacción ácida.
Los investigadores realizaron cálculos teóricos para respaldar sus hallazgos experimentales. Los resultados corroboraron las relaciones entre el número de capas de grafeno, estabilidad química, y actividad catalítica de las nanopartículas indicadas por los datos experimentales. Es decir, las nanopartículas recubiertas con menos de tres capas de grafeno mostraron una mayor actividad catalítica que las recubiertas con tres a cinco capas, pero esto se produjo a expensas de la durabilidad; el primero mostró una estabilidad química más pobre que el segundo.
"Nuestros resultados allanan el camino para el diseño racional de estables, catalizadores baratos para la producción de hidrógeno a gran escala en estaciones de hidrógeno mediante electrólisis de membrana de electrolito polimérico in situ en condiciones ácidas, "explica el coautor Yoshikazu Ito.
Los hallazgos del equipo nos acercan un paso más a la realización de un futuro limpio y sostenible utilizando hidrógeno como fuente de combustible.
