Los materiales que absorben hidrógeno se utilizan para el almacenamiento y purificación de hidrógeno, sirviendo así como portadores de energía limpia. El absorbedor de hidrógeno más conocido, paladio, se puede mejorar aleándolo con oro.

Una nueva investigación dirigida por el Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio explica por primera vez cómo el oro marca la diferencia. que será valioso para perfeccionar nuevas mejoras.

El primer paso en el almacenamiento de hidrógeno es la quimisorción, donde el H2 gaseoso choca con el paladio y se adsorbe (se pega) a la superficie. En segundo lugar, los átomos de H quimisorbidos se difunden en la subsuperficie, varios nanómetros de profundidad. Un artículo reciente publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) informa que el grupo se centró en este lento segundo paso, que es el cuello de botella del proceso general.

En paladio puro, solo alrededor de 1 en 1, 000 de las moléculas de H2 que chocan con el metal realmente se absorben en el interior. Por eso, solo estos pueden almacenarse como portadores de energía. Sin embargo, cuando la superficie de paladio está aleada con oro, la absorción es 40 veces más rápida.

Es vital obtener la cantidad de oro adecuada:la absorción de hidrógeno se maximiza cuando la cantidad de átomos de oro es un poco menos de la mitad (0,4) de una sola monocapa de paladio. según el estudio. Esto fue descubierto por espectroscopia de desorción térmica, y mediante la medición de la profundidad de los átomos de H utilizando emisiones de rayos gamma.

"Queríamos saber qué papel juega el oro, ", dice el primer autor del estudio, Kazuhiro Namba." Los átomos de oro se encuentran principalmente en la superficie de la aleación. Sin embargo, Nuestros resultados mostraron que el almacenamiento de hidrógeno se mejora incluso por debajo de esta profundidad, en paladio puro. Por lo tanto, el oro debe estar acelerando la difusión de hidrógeno en la subsuperficie, en lugar de mejorar su solubilidad ".

Esta difusión actúa como una reacción química típica:su velocidad está determinada por la barrera de energía, es decir, el obstáculo que los átomos de H deben superar para penetrar el paladio. La altura de la barrera es el espacio entre las energías de los átomos de H quimisorbidos y el estado de transición que deben atravesar para alcanzar el primer sitio debajo de la superficie.

De acuerdo con los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), los átomos de oro desestabilizan el hidrógeno quimisorbido, aumentando así su energía y reduciendo la barrera. Al hacer de la superficie un entorno menos estable para los átomos de H, esto los anima a penetrar más rápidamente en sitios más profundos, en lugar de quedarse en la superficie. La espectroscopia de fotoemisión sugiere que los átomos de oro empujan la energía de los electrones de paladio hacia abajo, debilitando su capacidad de quimisorber hidrógeno.

Sin embargo, también es más probable que los átomos de H débilmente quimisorbidos simplemente se desorben de la superficie; es decir., volver a la fase gaseosa. Este proceso no deseado explica por qué el almacenamiento de hidrógeno se maximiza con solo 0.4 monocapas de oro; si se agrega más oro, la desorción de hidrógeno supera su difusión en paladio.

"Nuestro estudio revela, a nivel electrónico, cómo la aleación de oro controla la absorción de hidrógeno, ", dice el coautor Shohei Ogura." Esto nos ayudará a diseñar mejores materiales de almacenamiento de hidrógeno, que desempeñará un papel en el transporte de energía neutra en carbono, así como catalizadores sólidos para reacciones químicas, que a menudo dependen del hidrógeno unido a la superficie ".