Los colaboradores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y las universidades de EE. UU. Utilizaron la dispersión de neutrones y otras técnicas de caracterización avanzadas para estudiar cómo un catalizador prominente permite que la reacción de "cambio agua-gas" purifique y genere hidrógeno a escala industrial.

Resultados publicados en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense resolvió un debate de larga data sobre el mecanismo de reacción del catalizador, abriendo rutas para mejorar el costo y la eficiencia de la producción de hidrógeno a gran escala.

"Nuestro trabajo avanza significativamente en la comprensión fundamental de un complejo, catalizador crítico para la industria que ha sido difícil de estudiar, ", dijo Zili Wu de la División de Ciencias Químicas de ORNL." Determinar cómo funciona esta reacción a nivel atómico permite realizar más esfuerzos para optimizar el catalizador para un mejor rendimiento ".

Los colaboradores investigaron un catalizador de cobre-cromo-óxido de hierro (CuCrFeO _X ) proporcionado por la Universidad de Lehigh.

"Ya conocemos el CuCrFeO existente _X el catalizador funciona, pero cómo funciona ha sido objeto de debate, "dijo Felipe Polo-Garzón de ORNL, quien trabajó con Wu en el enfoque multimodal del equipo para identificar el mecanismo de reacción del catalizador.

El objetivo era estudiar cómo se comporta el catalizador en condiciones del mundo real para encontrar evidencia de un mecanismo de oxidación-reducción ("redox") o un mecanismo asociativo, dos teorías predominantes sobre cómo CuCrFeO _X trabaja para producir hidrógeno.

En una reacción redox, los reactivos intercambian algunos de sus átomos con la superficie del catalizador para producir nuevas sustancias, en este ejemplo, hidrógeno y dióxido de carbono. Por el contrario, en una reacción asociativa, todas las moléculas que reaccionan se unen a la superficie del catalizador en un paso intermedio para llegar a los productos finales.

Para demostrar sin ambigüedades cómo el CuCrFeO _X el catalizador funciona (redox frente a mecanismo asociativo), los investigadores proyectan una amplia red de métodos experimentales y computacionales.

Todos los resultados apuntaban a la misma conclusión:una reacción redox. En condiciones de alta temperatura, el catalizador pierde átomos de oxígeno para dejar espacio a las moléculas de agua que se disocian y emiten hidrógeno puro.

"La respuesta es importante porque nos ayuda a identificar el punto crítico de la reacción donde se genera el hidrógeno, "dijo Polo-Garzón.

Muchos catalizadores existentes se han creado mediante prueba y error, lo que a menudo limita su eficacia. El descubrimiento fundamental del equipo podría eliminar las conjeturas y decirles a los investigadores con precisión dónde buscar oportunidades para sintetizar un mejor catalizador para generar hidrógeno.

El hidrógeno es el elemento más abundante de la tierra, pero no ocurre naturalmente en la forma pura que necesitan las industrias para la refinación de petróleo, producción de amoniaco para fertilizantes, procesamiento de alimentos, tratamiento de metales, y otras aplicaciones amplias. La mayor parte del suministro de hidrógeno del mundo se produce mediante reformado de metano con vapor, que convierte el gas natural en una mezcla de hidrógeno que se refina mediante catálisis por desplazamiento de agua y gas para producir hidrógeno puro.

Varios factores limitan la comprensión de lo que hace posible la generación de hidrógeno durante la reacción de desplazamiento de agua-gas. El CuCrFeO _X el catalizador se reconstruye durante la operación, por lo que las versiones nuevas y gastadas son diferentes, lo que hace que sea especialmente difícil caracterizar el material. Previamente, La información sobre cómo cambia la química de la superficie durante las condiciones de reacción ha faltado en el rompecabezas.

Otro obstáculo es el color del compuesto. El catalizador negro obstruye la espectroscopia óptica y otras técnicas convencionales que dependen de la luz para obtener datos. porque la muestra es demasiado oscura para "ver" eficazmente.

Experimentos de espectroscopía vibracional de neutrones realizados en la línea de luz VISION en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, ayudó a superar algunos de los desafíos de estudiar CuCrFeO _X .

Debido a que los neutrones interactúan con las muestras de manera diferente a la luz, pueden complementar la información obtenida de técnicas ópticas. También son ideales para observar hidrógeno, que es difícil de detectar con otros métodos experimentales debido al bajo peso atómico del elemento.

La recompensa fue doble, dice Polo-Garzón. "Los neutrones nos dieron una pieza fundamental del rompecabezas para refutar el mecanismo asociativo, mostrándonos que no había ningún intermedio relevante en la superficie del catalizador, ", dijo." También observamos algo que no se había detectado previamente en la superficie del catalizador:hidruros ".

Los hidruros son especies de la superficie que desempeñan un papel clave en las reacciones a base de hidrógeno, pero son extremadamente difíciles de observar en materiales de metales mixtos como CuCrFeO. _X .

Además de los experimentos de neutrones, Los investigadores realizaron espectroscopía infrarroja y caracterización de reacciones de superficie programadas por temperatura en el Centro de Ciencias de Materiales en Nanofase, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y análisis cinético transitorio isotópico en ORNL; espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión cercana a la ambiente en la Universidad de Kansas; y cálculos de teoría funcional de densidad en la Universidad de California, Orilla, que utilizó recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Necesita más de un enfoque para recopilar e interpretar toda la información necesaria para construir la historia completa, ", dijo Polo-Garzón." Nuestra colaboración destaca el éxito de un enfoque multimodal para producir avances fundamentales ".

El artículo de la revista se publica como "Elucidación del mecanismo de reacción para el cambio de gas de agua a alta temperatura sobre un catalizador de óxido de hierro-cromo-cobre de tipo industrial".