Los carburos metálicos bidimensionales provocan una reacción que divide el agua en oxígeno y gas hidrógeno valioso. Los investigadores de Berkeley han descubierto una nueva receta fácil para cocinar estas láminas delgadas en nanómetros que es casi tan simple como hacer gelatina de una caja. Crédito:Gráfico de Xining Zang, derechos de autor Wiley
Un nuevo catalizador económico y eficaz desarrollado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, puede generar combustible de hidrógeno a partir del agua con la misma eficacia que el platino, actualmente, el mejor catalizador de separación de agua, pero también el más caro, que existe.
El catalizador, que se compone de láminas de carburo metálico delgadas en nanómetros, se fabrica mediante un proceso de autoensamblaje que se basa en un ingrediente sorprendente:la gelatina, el material que le da a Jell-O su agitación.
"El platino es caro, por lo que sería deseable encontrar otros materiales alternativos para reemplazarlo, "dijo el autor principal Liwei Lin, profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley. "De hecho, estamos usando algo similar a la gelatina que puedes comer como base, y mezclarlo con algunos de los abundantes elementos terrestres para crear un nuevo material económico para importantes reacciones catalíticas ".
El trabajo aparece en la edición impresa del 13 de diciembre de la revista. Materiales avanzados .
Un golpe de electricidad puede romper los fuertes lazos que unen las moléculas de agua, creando oxígeno e hidrógeno gaseoso, el último de los cuales es una fuente de energía extremadamente valiosa para alimentar pilas de combustible de hidrógeno. El gas hidrógeno también se puede utilizar para ayudar a almacenar energía de fuentes de energía renovables pero intermitentes como la energía solar y eólica. que producen un exceso de electricidad cuando brilla el sol o cuando sopla el viento, pero que permanecen inactivos en días lluviosos o tranquilos.
Cuando se magnifica, los carburos metálicos bidimensionales se asemejan a láminas de cellphane. Crédito:foto de Xining Zang, derechos de autor Wiley
Pero simplemente meter un electrodo en un vaso de agua es un método extremadamente ineficaz para generar gas hidrógeno. Durante los últimos 20 años, Los científicos han estado buscando catalizadores que puedan acelerar esta reacción, haciéndolo práctico para uso a gran escala.
"La forma tradicional de utilizar gas de agua para generar hidrógeno todavía domina en la industria. Sin embargo, este método produce dióxido de carbono como subproducto, "dijo el primer autor Xining Zang, quien realizó la investigación como estudiante de posgrado en ingeniería mecánica en UC Berkeley. "La generación de hidrógeno electrocatalítico está creciendo en la última década, siguiendo la demanda global para reducir las emisiones. El desarrollo de un catalizador de electrohidrólisis altamente eficiente y de bajo costo traerá profundos conocimientos técnicos, beneficio económico y social ".
Para crear el catalizador, los investigadores siguieron una receta casi tan simple como hacer gelatina en una caja. Mezclaron gelatina y un ion metálico, ya sea molibdeno, tungsteno o cobalto — con agua, y luego dejar secar la mezcla.
"Creemos que a medida que se seca la gelatina, se autoensambla capa por capa, "Lin dijo." El ion metálico es transportado por la gelatina, así que cuando la gelatina se autoensambla, su ión metálico también se organiza en estas capas planas, y estas láminas planas son las que le dan a Jell-O su característica superficie similar a un espejo ".
Calentar la mezcla a 600 grados Celsius hace que el ion metálico reaccione con los átomos de carbono de la gelatina. formando grandes, láminas nanométricas de carburo metálico. La gelatina sin reaccionar se quema.
Las moléculas de gelatina se autoensamblan naturalmente en láminas planas, llevando los iones metálicos con ellos (izquierda). Calentar la mezcla a 600 grados Celsius quema la gelatina, dejando láminas nanométricas de carburo metálico. Crédito:Ilustración de Xining Zang, derechos de autor Wiley
Los investigadores probaron la eficiencia de los catalizadores colocándolos en agua y pasando una corriente eléctrica a través de ellos. Cuando se apilan uno contra el otro, carburo de molibdeno dividió el agua de la manera más eficiente, seguido por carburo de tungsteno y luego carburo de cobalto, que no formaban capas delgadas tan bien como las otras dos. La mezcla de iones de molibdeno con una pequeña cantidad de cobalto impulsó aún más el rendimiento.
"Es posible que otras formas de carburo proporcionen un rendimiento aún mejor, "Dijo Lin.
La forma bidimensional del catalizador es una de las razones por las que tiene tanto éxito. Eso es porque el agua tiene que estar en contacto con la superficie del catalizador para hacer su trabajo, y la gran superficie de las hojas significa que los carburos metálicos son extremadamente eficientes para su peso.
Porque la receta es tan simple, se podría escalar fácilmente para producir grandes cantidades del catalizador, dicen los investigadores.
"Descubrimos que el rendimiento está muy cerca del mejor catalizador hecho de platino y carbono, que es el patrón oro en esta área, ", Dijo Lin." Esto significa que podemos reemplazar el platino muy caro con nuestro material, que se realiza en un proceso de fabricación muy escalable ".
