El nuevo catalizador es un material compuesto nanoestructurado compuesto de nanocables de carbono con átomos de rutenio unidos al nitrógeno y al carbono para formar sitios activos dentro de la matriz de carbono. La microscopía electrónica de nanocables de carbono codopados con rutenio y nitrógeno mostró nanopartículas de rutenio que decoraban la superficie de los nanocables. Crédito:Lu et al ., Comunicaciones de la naturaleza
Un nuevo catalizador a base de rutenio desarrollado en UC Santa Cruz ha mostrado un rendimiento notablemente mejor que los catalizadores de platino comerciales en la electrólisis de agua alcalina para la producción de hidrógeno. El catalizador es un material compuesto nanoestructurado compuesto por nanocables de carbono con átomos de rutenio unidos a nitrógeno y carbono para formar sitios activos dentro de la matriz de carbono.
La división electroquímica del agua para producir hidrógeno es un paso crucial en el desarrollo del hidrógeno como un combustible ecológico. Gran parte del esfuerzo por reducir el costo y aumentar la eficiencia de este proceso se ha centrado en encontrar alternativas a los costosos catalizadores basados en platino.
En UC Santa Cruz, investigadores dirigidos por Shaowei Chen, profesor de química y bioquímica, han estado investigando catalizadores fabricados mediante la incorporación de rutenio y nitrógeno en materiales nanocompuestos a base de carbono. Sus nuevos hallazgos, publicado el 7 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza , no solo demuestran el impresionante rendimiento de su catalizador a base de rutenio, sino que también brindan información sobre los mecanismos involucrados, lo que puede conducir a mejoras adicionales.
"Esta es una clara demostración de que el rutenio puede tener una actividad notable en la catalización de la producción de hidrógeno a partir del agua, ", Dijo Chen." También caracterizamos el material en la escala atómica, que nos ayudó a comprender los mecanismos, y podemos utilizar estos resultados para el diseño racional y la ingeniería de catalizadores basados en rutenio ".
La microscopía electrónica y el análisis de mapeo elemental del material mostraron nanopartículas de rutenio, así como átomos de rutenio individuales dentro de la matriz de carbono. Asombrosamente, Los investigadores encontraron que los principales sitios de actividad catalítica eran átomos de rutenio individuales en lugar de nanopartículas de rutenio.
El análisis de mapeo elemental del material compuesto nanoestructurado mostró átomos de rutenio individuales dentro de la matriz de carbono (flechas rojas). Los investigadores encontraron que los sitios principales de actividad catalítica eran átomos de rutenio individuales en lugar de nanopartículas de rutenio. Crédito:Lu et al ., Comunicaciones de la naturaleza
"Eso fue un gran avance, porque muchos estudios han atribuido la actividad catalítica a las nanopartículas de rutenio. Descubrimos que los átomos individuales son los sitios activos dominantes, aunque tanto las nanopartículas como los átomos individuales contribuyen a la actividad, "dijo el primer autor Bingzhang Lu, estudiante de posgrado en el laboratorio de Chen en UC Santa Cruz.
Lu trabajó con el coautor Yuan Ping, profesor asistente de química y bioquímica, para hacer cálculos teóricos que muestren por qué los átomos individuales de rutenio son centros catalíticos más activos que las nanopartículas de rutenio.
"Hicimos cálculos independientes de los primeros principios para mostrar cómo el rutenio forma enlaces con el carbono y el nitrógeno en este material y cómo esto reduce la barrera de reacción para brindar una mejor actividad catalítica, "Dijo Ping.
Chen dijo que ha presentado una solicitud de patente para la preparación experimental de catalizadores a base de rutenio. Señaló que, además de las aplicaciones potenciales para la producción de hidrógeno como parte de sistemas energéticos sostenibles, La electrólisis de agua alcalina ya se usa ampliamente en la industria química, como es un proceso relacionado llamado electrólisis cloro-alcalina para el cual también se podría usar el catalizador de rutenio. Por tanto, ya existe un gran mercado de catalizadores más eficientes.
La electrólisis del agua para producir hidrógeno se puede realizar en condiciones ácidas o alcalinas, y cada método tiene ventajas y desventajas. Los catalizadores de platino son mucho más efectivos en medios ácidos que en medios alcalinos. Los catalizadores a base de rutenio funcionan casi tan bien como el platino en medios ácidos, mientras supera al platino en medios alcalinos, Chen dijo.
En el trabajo futuro, los investigadores buscarán maximizar el número de sitios activos en el material. También pueden investigar el uso de otros metales en la misma plataforma de nanocompuestos, él dijo.
