Los sistemas de energía electroquímica, procesos mediante los cuales la energía eléctrica se convierte en energía química, son fundamentales para establecer una generación y almacenamiento más eficientes de energía intermitente de fuentes renovables en pilas de combustible y baterías.

Las potentes sustancias conocidas como catalizadores, que se utilizan para acelerar reacciones químicas, son actores clave en estos sistemas. El tamaño y la eficiencia de las pilas de combustible. por ejemplo, podría beneficiarse enormemente del uso de catalizadores de alto rendimiento.

Producir mejores catalizadores es más fácil de decir que de hacer, sin embargo. La utilidad de un catalizador se basa parcialmente en la cantidad y calidad de sus sitios activos, debido a la geometría específica y las propiedades electrónicas de los sitios. La ingeniería de estos sitios puede ser una tarea ardua, proceso ineficiente.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Delaware han revolucionado la forma en que los científicos pueden diseñar estructuras catalizadoras. Su trabajo, aparece en el último número de la revista científica líder Química de la naturaleza , ha establecido un nuevo enfoque para el manejo de sustancias químicas altamente sensibles a la estructura para lograr la mayor actividad posible mientras se considera la estabilidad del catalizador.

"La optimización de los catalizadores a nivel atómico ha sido un problema de larga data, ya que los centros activos suelen ser desconocidos, y la mejor manera de empaquetarlos juntos para realizar la química sigue siendo difícil de alcanzar, "dijo Dion Vlachos, Allan y Myra Ferguson Catedrático de Ingeniería Química de la UD y coautor del artículo. "A medida que diseñamos materiales para mejorar el rendimiento, la estabilidad de los materiales es crítica. Nuestro método es el primero en abordar tanto la ingeniería de cristales con precisión atómica como la estabilidad del material ".

Según los investigadores, lo que distingue a su método es la racionalización de la síntesis material, usar computadoras para crear variaciones microscópicas, o nanodefectos, en la superficie de un catalizador.

"En el pasado, los investigadores han modelado diferentes sitios activos uno a la vez, que lleva mucho tiempo, "dice el coautor Marcel Nunez, quien obtuvo su doctorado en ingeniería química y biomolecular en la UD y ahora se desempeña como ingeniero de diseño en Intel. "Nuestro enfoque está automatizado. Es realmente el primero de su tipo, ayudando a que los catalizadores sean más fáciles de sintetizar y más estables durante las reacciones químicas ".

Josh Lansford, candidato a doctorado en el laboratorio de Vlachos y también coautor del artículo, enfatizó que, mientras que los cálculos comienzan a pequeña escala:cuántica, en este caso, los resultados son todo lo contrario.

"Se trata de reestructurar la superficie del catalizador para disminuir la energía necesaria para que la reacción funcione, ", dijo." Cuanto más activo sea el sitio, cuanto mayor sea la corriente eléctrica, lo que conduce a una reacción más rápida y una pila de combustible más potente ".

Los investigadores demostraron la efectividad de su nueva metodología utilizando un proceso llamado reacción de reducción de oxígeno (ORR), que se utiliza a menudo para generar energía en pilas de combustible para el transporte. Debido a que el oxígeno es abundante en la atmósfera terrestre, ORR es un método ideal para producir fuentes de energía portátiles que no emiten dióxido de carbono (CO2).

Si bien las celdas de combustible aún tienen que ser económicamente viables a gran escala, los autores dijeron que esperan que su avance ayude a cambiar eso, abriendo nuevas vías para una producción de energía más limpia y económica.

"La visión a largo plazo de nuestra metodología es que se utilizará para diseñar la estructura catalizadora deseada en las computadoras, ", Dijo Núñez." El catalizador luego se sintetizaría y caracterizaría en el laboratorio y se usaría en celdas de combustible, teniendo un rendimiento superior al estándar industrial actual. Nuestro enfoque nos orienta hacia la viabilidad económica de vehículos de pila de combustible limpios ".