Jay Winkler y su equipo están utilizando metales para crear nuevos catalizadores de combustible solar. Crédito:Instituto de Tecnología de California
En la búsqueda de alternativas a los combustibles a base de petróleo, uno de los más prometedores, y desafiante, Las estrategias implican dividir el agua. Durante décadas, los investigadores han logrado avances en el uso de la luz solar para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. en el que el gas hidrógeno resultante se puede utilizar como combustible almacenado. Pero el método sigue siendo demasiado caro. Se necesitan materiales llamados catalizadores para ejecutar la reacción, y el catalizador que mejor funciona, platino, es raro y caro. Ha comenzado la búsqueda de buenos catalizadores hechos de abundantes en la Tierra, materiales económicos.
"La gente hablaba de dividir el agua cuando yo era un estudiante de posgrado, durante la crisis energética de finales de la década de 1970. De hecho, puede encontrar artículos en la literatura donde la gente habla de esto desde principios del siglo XX, "dice Jay Winkler (Ph.D. '84), profesor asociado y profesor de química en Caltech y miembro del Instituto Beckman. "El platino funciona muy bien como catalizador, pero no es un material práctico para la generación de energía a gran escala porque simplemente no hay suficiente. Algunos otros materiales ejecutan bien la reacción, pero también son muy raros ".
Winkler y sus colegas, dirigido por Harry Gray, el profesor de química Arnold O. Beckman y ex consejero graduado de Winkler, han estado ocupados desarrollando nuevos tipos de catalizadores basados en materiales ecológicos como el hierro y el níquel. Su objetivo no es solo encontrar nuevos catalizadores hechos de materiales abundantes en la Tierra, sino también para encontrar formas de hacer que esos catalizadores impulsen la reacción de separación del agua de la manera más eficiente posible. Hacerlo reduciría el costo general de la reacción lo suficiente como para competir con recursos naturales como el petróleo. Esta investigación está asociada con el Centro de Innovación Química en Combustibles Solares (CCI Solar), un centro de la Fundación Nacional de Ciencias con sede en Caltech.
El enfoque de Winkler está en eliminar metales con láseres. Hace unos cinco años, él y Astrid Müller, entonces científico del personal de Caltech y ahora profesor en la Universidad de Rochester, afinado una técnica en la que un láser pulsado de alta energía se enfoca en un metal en un líquido (como el hierro en el agua), generando una temperatura y una presión muy altas. El proceso crea una burbuja que se colapsa y se vuelve a expandir varias veces en milisegundos, liberando nanopartículas a base de hierro, que son los candidatos para catalizar la reacción de desdoblamiento del agua.
"Las reacciones láser crean un destello de luz brillante y un fuerte estallido, ", dice Winkler." Tuvimos que instalar una caja insonorizada alrededor porque se podía escuchar en el pasillo ".
En este video de radiografía de rayos X se muestra un método basado en láser para generar nuevos catalizadores de combustible solar, que se ha ralentizado. Las imágenes se registran usando un haz de rayos X de banda ancha orientado paralelo al objetivo y se detectan usando una cámara de rayos X de alta velocidad. Después de que un pulso láser de 10 nanosegundos golpea un objetivo de metal plateado, se ve una burbuja expandiéndose, contraerse y luego expandirse de nuevo. Las nanopartículas sólidas que componen los catalizadores de combustible solar candidatos se filtran al final. Crédito:Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Anton Plech (Fuente:Ibrahimkutty et al. Sci. Rep.2015)
Dividir el agua es, en general, una reacción algo simple. La idea es utilizar la energía de la luz solar para dividir dos moléculas de agua (2H 2 O) en oxígeno (O 2 ) e hidrógeno (2H 2 ) moléculas. El oxígeno se puede liberar a la atmósfera y el hidrógeno se puede almacenar como combustible. Ejecutando la reacción al revés con la ayuda de una pila de combustible, genera electricidad.
"Ejecutar esta reacción requiere energía, y luego almacenamos esa energía. Queremos encontrar catalizadores que produzcan oxígeno más rápido y con la menor cantidad de energía extra posible ".
Winker y su equipo se están concentrando en la primera mitad de la reacción de división del agua; creando el oxígeno. En sus experimentos, como sustituto de la luz solar, utilizan un electrodo alimentado por electricidad. Una vez que hayan fabricado sus catalizadores potenciales utilizando la técnica láser, recubren el electrodo con los catalizadores y ejecutan la reacción, para ver qué tan rápido se genera el oxígeno.
Hasta aquí, los investigadores tienen algunos buenos candidatos, como un tipo de material de nanopartículas a base de hierro conocido como nanoplaca de hidróxido doble con capa de hierro y níquel. El equipo ha estado tratando de averiguar exactamente por qué este catalizador funciona bien. En un conjunto de experimentos, desarrollaron un método electroquímico para atrapar y caracterizar los estados moleculares generados durante la reacción con el fin de descubrir cuáles son clave para su eficacia. Descubrieron que un sitio de hierro altamente oxidado en el borde de una nanocapa era un elemento esencial en la catálisis. Este trabajo, que fue dirigido por Bryan Hunter de la Universidad de Harvard mientras era un estudiante graduado en Caltech in the Grey Lab (Ph.D. '17), ayudará a otros investigadores a ajustar el catalizador y hacerlo aún mejor.
En el futuro, el equipo continuará explorando nuevos catalizadores para fabricar combustible de hidrógeno. Por ejemplo, están experimentando con otros líquidos además del agua para utilizarlos en sus pruebas de láser.
"Los combustibles de hidrógeno no se utilizan mucho ahora, ", dice Winkler." Pero creo que llegaremos a un punto en el que podamos producir estos combustibles de manera más eficiente, y luego se volverán más competitivos económicamente ".
