Las nanopartículas de metales no preciosos podrían algún día reemplazar los costosos catalizadores para la producción de hidrógeno. Sin embargo, a menudo es difícil determinar qué velocidades de reacción pueden lograr, especialmente cuando se trata de partículas de óxido. Esto se debe a que las partículas deben unirse al electrodo utilizando un aglutinante y aditivos conductores, que distorsionan los resultados. Con la ayuda de análisis electroquímicos de partículas individuales, Los investigadores ahora han logrado determinar la actividad y la conversión de sustancias de los nanocatalizadores hechos de óxido de hierro y cobalto, sin ningún aglutinante. El equipo dirigido por la profesora Kristina Tschulik de Ruhr-Universität Bochum informa junto con colegas de la Universidad de Duisburg-Essen y de Dresde en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , publicado en línea el 30 de mayo de 2019.

"El desarrollo de catalizadores de metales no preciosos juega un papel decisivo en la realización de la transición energética, ya que solo ellos son baratos y están disponibles en cantidades suficientes para producir las cantidades necesarias de combustibles renovables, "dice Kristina Tschulik, miembro del Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Hidrógeno, una fuente de energía prometedora, por tanto, se puede adquirir mediante la división del agua en hidrógeno y oxígeno. El factor limitante aquí ha sido hasta ahora la reacción parcial en la que se produce oxígeno.

Mejor que las velocidades de reacción alcanzadas actualmente en la industria

En el trabajo actual, los investigadores investigaron la eficiencia con que las partículas de óxido de hierro y cobalto pueden catalizar la generación de oxígeno. Analizaron muchas partículas individuales una tras otra. Los químicos permitieron que una partícula catalizara la generación de oxígeno en la superficie del electrodo y midieron el flujo de corriente de este, que proporciona información sobre la velocidad de reacción. "Hemos medido densidades de corriente de varios kiloamperios por metro cuadrado, ", dice Tschulik." Esto está por encima de las velocidades de reacción actualmente posibles en la industria ".

El equipo demostró que, para partículas de menos de diez nanómetros, el flujo de corriente depende del tamaño de partícula:cuanto más pequeña es la partícula de catalizador, cuanto menor sea la corriente. La corriente también está limitada por el oxígeno que se produce en la reacción y que se difunde fuera de la superficie de la partícula.

Extremadamente estable a pesar de un alto estrés

Siguiendo los experimentos de catálisis, los químicos observaron las partículas de catalizador bajo el microscopio electrónico de transmisión. "A pesar de las altas tasas de reacción, es decir, aunque las partículas habían creado tanto oxígeno, apenas cambiaron, ", dice Tschulik." La estabilidad en condiciones extremas es excepcional ".

El enfoque de análisis utilizado en el trabajo actual también se puede transferir a otros electrocatalizadores. "Es esencial obtener más información sobre las actividades de los nanocatalizadores para poder seguir desarrollando de manera eficiente catalizadores de metales no preciosos para las tecnologías de energía renovable del mañana, ", dice el químico de Bochum. Para analizar el efecto del tamaño de partícula sobre la actividad catalítica, es importante sintetizar nanopartículas con un tamaño definido. Como parte de la Alianza Universitaria del Ruhr, el equipo de Bochum coopera estrechamente con investigadores de la Universidad de Duisburg-Essen dirigidos por el profesor Stephan Schulz, que producen las partículas de catalizador.