Un primer plano de la capa de platino / iridio (verde / azul) sobre un núcleo de nanopartículas de oro (amarillo), mostrando cómo este catalizador escinde los enlaces carbono-carbono (gris) en etanol mientras inicialmente deja unidos átomos de hidrógeno. El hidrógeno protege el carbono en las primeras etapas de la reacción, prevenir la formación de monóxido de carbono que envenena el catalizador, que permite la oxidación completa y la liberación de 12 electrones. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Arkansas han desarrollado un catalizador altamente eficiente para extraer energía eléctrica del etanol. un combustible líquido fácil de almacenar que se puede generar a partir de recursos renovables. El catalizador, descrito en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , dirige la electrooxidación del etanol por una vía química ideal que libera todo el potencial de energía almacenada del combustible líquido.
"Este catalizador es un cambio de juego que permitirá el uso de pilas de combustible de etanol como una fuente prometedora de alta densidad de energía de energía eléctrica 'fuera de la red", "dijo Jia Wang, el químico del Brookhaven Lab que dirigió el trabajo. Una aplicación particularmente prometedora:drones propulsados por pilas de combustible líquido.
"Las celdas de combustible de etanol son livianas en comparación con las baterías. Proporcionarían suficiente energía para operar drones usando un combustible líquido que es fácil de recargar entre vuelos, incluso en ubicaciones remotas, Wang señaló.
Gran parte del poder potencial del etanol está encerrado en los enlaces carbono-carbono que forman la columna vertebral de la molécula. El catalizador desarrollado por el grupo de Wang revela que romper esos lazos en el momento adecuado es la clave para desbloquear esa energía almacenada.
"La electrooxidación del etanol puede producir 12 electrones por molécula, "Dijo Wang." Pero la reacción puede progresar siguiendo muchas vías diferentes ".
La mayoría de estas vías resultan en una oxidación incompleta:los catalizadores dejan intactos los enlaces carbono-carbono, liberando menos electrones. También eliminan los átomos de hidrógeno al principio del proceso, exponer los átomos de carbono a la formación de monóxido de carbono, que "envenena" la capacidad de los catalizadores para funcionar con el tiempo.
Brookhaven Lab miembros del equipo de investigación que desarrolló y caracterizó un nuevo catalizador de núcleo-capa para la electrooxidación completa de etanol (de izquierda a derecha):Radoslav Adzic, Zhixiu Liang, Jia Wang, Eli Stavitski, y Liang Song. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"La oxidación total de 12 electrones del etanol requiere romper el enlace carbono-carbono al comienzo del proceso, mientras los átomos de hidrógeno todavía están unidos, porque el hidrógeno protege el carbono y previene la formación de monóxido de carbono, "Dijo Wang. Entonces, Se necesitan múltiples pasos de deshidrogenación y oxidación para completar el proceso.
El nuevo catalizador, que combina elementos reactivos en una estructura de núcleo-capa única que los científicos de Brookhaven han estado explorando para una variedad de reacciones catalíticas, acelera todos estos pasos.
Para hacer el catalizador, Jingyi Chen de la Universidad de Arkansas, quien fue científico visitante en Brookhaven durante parte de este proyecto, desarrolló un método de síntesis para depositar conjuntamente platino e iridio en nanopartículas de oro. El platino y el iridio forman "islas monoatómicas" en la superficie de las nanopartículas de oro. Ese arreglo Chen señaló, es la clave que explica el desempeño sobresaliente del catalizador.
"Los núcleos de nanopartículas de oro inducen tensión de tracción en las islas monoatómicas de platino-iridio, lo que aumenta la capacidad de esos elementos para escindir los enlaces carbono-carbono, y luego quita sus átomos de hidrógeno, " ella dijo.
Zhixiu Liang, estudiante de posgrado de la Universidad de Stony Brook y primer autor del artículo, realizó estudios en el laboratorio de Wang para comprender cómo el catalizador logra su eficiencia de conversión de energía récord. Usó "espectroscopia de reflexión-absorción infrarroja in situ" para identificar los productos y productos intermedios de reacción, comparando los producidos por el nuevo catalizador con reacciones que utilizan un catalizador de núcleo de oro / capa de platino y también un catalizador de aleación de platino-iridio.
Un esquema que muestra cómo las "islas monoatómicas" de platino (verde) e iridio (azul) en la superficie de la nanopartícula de oro (amarillo) permiten una oxidación completa de 12 electrones de etanol sin envenenamiento por monóxido de carbono. El gráfico ilustra el pico de corriente dramáticamente más alto producido por el nuevo catalizador (Au @ PtIr) en comparación con otros tres catalizadores:núcleo de oro / capa de iridio (Au @ Ir); aleación de iridio / platino (IrPt); y núcleo de oro / carcasa de platino (Au @ Pt). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Al medir los espectros producidos cuando la luz infrarroja se absorbe en diferentes pasos de la reacción, este método nos permite rastrear, en cada paso, qué especies se han formado y qué cantidad de cada producto, "Liang dijo." Los espectros revelaron que el nuevo catalizador dirige el etanol hacia la vía de oxidación completa de 12 electrones, liberando todo el potencial de energía almacenada del combustible ".
El siguiente paso, Wang señaló, es diseñar dispositivos que incorporen el nuevo catalizador.
Los detalles mecanicistas revelados por este estudio también pueden ayudar a guiar el diseño racional de futuros catalizadores multicomponente para otras aplicaciones.
