Los químicos de la Universidad de Oregon han logrado avances sustanciales en la mejora de la reacción catalítica de disociación del agua en los reactores electroquímicos. llamados electrolizadores de membrana bipolar, para romper más eficientemente las moléculas de agua en protones cargados positivamente e iones hidróxido cargados negativamente.

El descubrimiento, publicado en línea antes que impreso en la revista Ciencias , proporciona una hoja de ruta para realizar dispositivos electroquímicos que se benefician de la propiedad clave del funcionamiento de las membranas bipolares:generar los protones y los iones de hidróxido dentro del dispositivo y suministrar los iones directamente a los electrodos para producir los productos químicos finales.

La tecnología detrás de las membranas bipolares, que son polímeros de intercambio iónico en capas que intercalan una capa de catalizador de disociación de agua, surgió en la década de 1950. Si bien se han aplicado industrialmente a pequeña escala, su rendimiento se limita actualmente a una operación de baja densidad de corriente, lo que dificulta aplicaciones más amplias.

Entre ellos se encuentran dispositivos para producir gas hidrógeno a partir del agua y la electricidad, capturar dióxido de carbono del agua de mar, y fabricar combustibles a base de carbono directamente a partir del dióxido de carbono, dijo el coautor Shannon W. Boettcher, profesor en el Departamento de Química y Bioquímica de la UO y director fundador del Centro de Electroquímica de Oregon,

"Sospecho que nuestros hallazgos acelerarán un resurgimiento en el desarrollo de dispositivos de membrana bipolar y la investigación de los fundamentos de la reacción de disociación del agua". "dijo Boettcher, quien también es miembro del Instituto de Ciencia de Materiales y asociado en el Campus Phil y Penny Knight de la UO para Acelerar el Impacto Científico.

"El rendimiento que demostramos es suficientemente alto, ", dijo." Si podemos mejorar la durabilidad y fabricar las membranas bipolares con nuestros socios de la industria, debe haber importantes aplicaciones inmediatas ".

Típicamente, dispositivos electroquímicos a base de agua, como baterías, Las celdas de combustible y los electrolizadores operan a un solo pH en todo el sistema, es decir, el sistema es ácido o básico, dijo el autor principal del estudio, Sebastian Z. Oener, un becario postdoctoral apoyado por una beca de la Fundación de Investigación Alemana en el laboratorio de Boettcher.

"A menudo, esto lleva al uso de metales preciosos caros para catalizar las reacciones de los electrodos, como el iridio, uno de los metales más raros de la tierra, o sacrificar la actividad del catalizador, cuales, Sucesivamente, aumenta la entrada de energía requerida del reactor electroquímico, "Oener dijo." Una membrana bipolar puede superar este compromiso operando cada electrocatalizador localmente en su entorno de pH ideal. Esto aumenta la respiración de estable, disponibilidad de catalizador abundante en tierra para cada semirreacción ".

El equipo de tres miembros, que también incluyó al estudiante graduado Marc J. Foster, utilizó un conjunto de membrana-electrodo donde la membrana bipolar de polímero se comprime entre dos electrodos porosos rígidos. Este enfoque les permitió hacer una gran cantidad de membranas bipolares con diferentes capas de catalizador de disociación de agua y medir con precisión la actividad de cada una.

El equipo descubrió que la posición exacta de cada capa de catalizador dentro de la unión de la membrana bipolar, la interfaz entre una capa conductora de hidróxido y la capa conductora de protones en la membrana bipolar, afecta dramáticamente la actividad del catalizador. Esto les permitió usar bicapas de catalizador para realizar membranas bipolares de rendimiento récord que esencialmente disocian el agua con una pérdida de energía extra insignificante.

"La mayor sorpresa fue darse cuenta de que el rendimiento podría mejorarse sustancialmente colocando diferentes tipos de catalizadores uno encima del otro, ", Dijo Boettcher." Esto es simple, pero no se ha explorado completamente ".

Un segundo hallazgo clave, Oener dijo:es que la reacción de disociación del agua que ocurre dentro de la membrana bipolar está fundamentalmente relacionada con la que ocurre en las superficies del electrocatalizador, como cuando los protones se extraen directamente de las moléculas de agua cuando se produce hidrógeno como combustible en condiciones de pH básico.

"Esto es único porque antes no era posible separar los pasos individuales que ocurren durante una reacción electroquímica, "Oener dijo." Todos están vinculados, que involucran electrones e intermedios, y proceda rápidamente en serie. La arquitectura de la membrana bipolar nos permite aislar el paso químico de disociación del agua y estudiarlo de forma aislada ".

Ese hallazgo, él dijo, también podría conducir a electrocatalizadores mejorados para reacciones que producen directamente combustibles reducidos a partir del agua, como hacer hidrógeno gaseoso o combustible líquido a partir de residuos de dióxido de carbono.

Los descubrimientos, Boettcher dijo:proporcionar un modelo mecanicista tentativo, uno que podría abrir el campo y motivar muchos más estudios.

"Estamos entusiasmados de ver la respuesta de la comunidad de investigadores y ver si estos hallazgos pueden traducirse en productos que reduzcan la dependencia de la sociedad de los combustibles fósiles". " él dijo.