Durante muchos años, Los científicos han estado buscando una forma eficaz y eficiente de convertir el agua en combustibles que almacenen energía utilizando electricidad solar y eólica. probablemente dividiendo el agua en hidrógeno y oxígeno. Para hacer esto, han estado buscando catalizadores para hacer que ocurran estas reacciones de división del agua.

Los investigadores saben desde hace algún tiempo que los óxidos de muchos metales, incluido el conocido óxido de hierro llamado herrumbre, pueden funcionar como catalizadores de disociación de agua, particularmente cuando los átomos de los óxidos metálicos están organizados en pequeños grupos. Sin embargo, la actividad de estos clusters, o dominios, pueden variar enormemente dependiendo de sus estructuras.

En un nuevo estudio de un grupo relacionado de óxidos de cobalto, Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) intentaron determinar por qué dos catalizadores similares con tamaños de dominio algo diferentes se comportaban de manera diferente.

"Nuestro equipo de investigación realmente quería entender por qué los óxidos de cobalto que se pueden controlar para que difieran solo en términos de su estructura de dominio tienen actividades de división del agua tan diferentes". "dijo el químico David Tiede, Miembro distinguido en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne. "Comprender esto proporcionaría una forma de comprender la catálisis por división de agua para los óxidos metálicos de manera más general".

En el estudio, Tiede y sus colegas utilizaron la Fuente de fotones avanzada (APS) y el Centro de materiales a nanoescala (CNM) de Argonne, junto con la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) del SLAC National Accelerator Laboratory, todas las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Combinaron una amplia gama de diferentes técnicas de rayos X y las capacidades de microscopía electrónica de CNM para examinar estos dominios a escala atómica.

"Lo emocionante de esta investigación es que hemos adoptado un enfoque verdaderamente multimodal que combina el poder de los rayos X suaves y duros, "Dijo Tiede.

Tiede y otros investigadores presentaron un artículo sobre el estudio en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , el verano pasado.

"Las técnicas de rayos X resonantes son una herramienta poderosa para proporcionar una gran cantidad de estructura e información electrónica sobre los catalizadores de óxido metálico, particularmente cuando están mal definidos estructuralmente, ", agregó el físico de rayos X de Argonne, Jung Ho Kim, quien estaba entre esos autores.

El equipo de investigación pudo demostrar que las diferencias en la actividad catalítica están controladas por la conductividad a escala atómica.

Cuando los dominios de óxido de cobalto se formaron en presencia de borato, los investigadores vieron que los electrones se movían relativamente rápida y suavemente por todo el material. Cuando los óxidos de cobalto se formaron con fosfato, sin embargo, las cargas eléctricas no podrían migrar tan fácilmente.

La razón de esta diferencia, Tiede explicó, es que los átomos de cobalto en el borato de cobalto pueden compartir electrones entre sí en lo que los científicos llaman orbitales híbridos. "Esencialmente, puede pensar en los orbitales híbridos en el borato de cobalto como si fueran redes sociales de Internet, mientras que los orbitales del fosfato de cobalto son como teléfonos fijos, ", Dijo Tiede." La información puede viajar más rápidamente a través de conexiones en red siempre activas ".

La presencia de los orbitales híbridos en el borato de cobalto hace que el material sea un mejor catalizador para la división del agua que el fosfato de cobalto. aunque este último tiene sitios catalíticos más activos. "Poder mover las cargas a los sitios activos se convierte en el factor clave para determinar la eficiencia del catalizador, "Dijo Tiede.

Al examinar los dos óxidos de cobalto, Tiede y su equipo encontraron algo más sorprendente. Típicamente, El proceso de división del agua requiere pasos para romper y crear enlaces que son las partes más desafiantes de la catálisis. pero en este caso, conseguir suficiente carga en los sitios activos resultó ser la parte más difícil. "Llevar los cargos a los sitios lo suficientemente rápido es un parámetro de diseño clave que debemos aprender a controlar, "Dijo Tiede.

Combinar la movilidad de la carga con la eficiencia de la división del agua será esencial para desarrollar un catalizador que pueda convertir el agua en electricidad de manera efectiva. "Puedes tener el mejor aire acondicionado del mundo, pero si el cableado de tu casa es terrible, no vas a hacer que funcione correctamente, ", Agregó Tiede." El sitio de división del agua está haciendo muchas cosas complicadas, pero si no recibe suficiente corriente, no va a hacer mucho ".

El artículo basado en el estudio, "Resolución de los factores electrónicos y estructurales que subyacen al rendimiento de generación de oxígeno en catalizadores de óxido de cobalto amorfo, "apareció en la edición del 20 de julio de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .