Carina Brunnhofer (izquierda), Dominik Dworschak (derecha) Crédito:TU Wien
De camino a un CO 2 -economía neutral, necesitamos perfeccionar una amplia gama de tecnologías, incluida la extracción electroquímica de hidrógeno del agua, celdas de combustible, o captura de carbono. Todas estas tecnologías tienen una cosa en común:solo funcionan si se utilizan catalizadores adecuados. Durante muchos años, Por lo tanto, los investigadores han estado investigando qué materiales son los más adecuados para este propósito.
En TU Wien y el Comet Center for Electrochemistry and Surface Technology CEST en Wiener Neustadt, una combinación única de métodos de investigación está disponible para este tipo de investigación. Juntos, los científicos ahora podrían demostrar:Buscar el catalizador perfecto no se trata solo de encontrar el material adecuado, sino también sobre su orientación. Dependiendo de la dirección en la que se corte un cristal y cuál de sus átomos presenta al mundo exterior en su superficie, su comportamiento puede cambiar drásticamente.
Eficiencia o estabilidad
"Para muchos procesos importantes en electroquímica, los metales preciosos se utilizan a menudo como catalizadores, tales como óxido de iridio o partículas de platino, "dice el profesor Markus Valtiner del Instituto de Física Aplicada de TU Wien (IAP). En muchos casos, se trata de catalizadores con una eficiencia particularmente alta. Sin embargo, También hay otros puntos importantes a considerar:La estabilidad de un catalizador y la disponibilidad y reciclabilidad de los materiales. El material catalizador más eficiente es de poca utilidad si es un metal raro, se disuelve al poco tiempo, sufre cambios químicos o se vuelve inutilizable por otras razones.
Por esta razón, otro, son de interés catalizadores más sostenibles, como el óxido de zinc, aunque son aún menos efectivos. Combinando diferentes métodos de medición, Ahora es posible demostrar que la eficacia y la estabilidad de tales catalizadores pueden mejorarse significativamente estudiando cómo se estructura la superficie de los cristales del catalizador a escala atómica.
Todo depende de la direccion
Los cristales pueden tener diferentes superficies:"Imaginemos un cristal en forma de cubo que cortamos en dos, "dice Markus Valtiner." Podemos cortar el cubo recto por el medio para crear dos cuboides. O podemos cortarlo exactamente en diagonal, en un ángulo de 45 grados. Las superficies de corte que obtenemos en estos dos casos son diferentes:diferentes átomos están ubicados a diferentes distancias entre sí en la superficie de corte. Por lo tanto, estas superficies también pueden comportarse de manera muy diferente en procesos químicos ”.
Los cristales de óxido de zinc no tienen forma de cubo, pero forman hexágonos en forma de panal, pero el mismo principio se aplica aquí, también:sus propiedades dependen de la disposición de los átomos en la superficie. "Si elige exactamente el ángulo de superficie correcto, se forman allí agujeros triangulares microscópicamente pequeños, con un diámetro de solo unos pocos átomos, "dice Markus Valtiner." Los átomos de hidrógeno se pueden unir allí, tienen lugar procesos químicos que apoyan la división del agua, pero al mismo tiempo estabilizar el propio material ".
El equipo de investigación ha podido probar esta estabilización por primera vez:"En la superficie del catalizador, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno. Mientras este proceso está en progreso, podemos tomar muestras líquidas y examinar si contienen trazas del catalizador, "explica Markus Valtiner." Para hacer esto, el líquido primero debe calentarse fuertemente en un plasma y descomponerse en átomos individuales. Luego, separamos estos átomos en un espectrómetro de masas y los clasificamos, elemento por elemento. Si el catalizador es estable, difícilmente deberíamos encontrar átomos del material catalizador. En efecto, no pudimos detectar ninguna descomposición del material en las estructuras del triángulo atómico cuando se produjo el hidrógeno ". Este efecto estabilizador es sorprendentemente fuerte; ahora el equipo está trabajando para hacer que el óxido de zinc sea aún más eficiente y transferir el principio físico de esta estabilización a otros materiales .
Oportunidades de investigación únicas para la transformación del sistema energético
Las estructuras de la superficie atómica se han estudiado en TU Wien durante muchos años. "En nuestro instituto, estas estructuras triangulares se han demostrado y explicado teóricamente por primera vez hace años, y ahora somos los primeros en demostrar su importancia para la electroquímica, ", dice Markus Valtiner." Esto se debe a que nos encontramos en la situación única de poder combinar todos los pasos de investigación necesarios bajo un mismo techo, desde la preparación de muestras hasta la simulación en supercomputadoras, desde microscopía en ultra alto vacío hasta pruebas prácticas en entornos realistas ".
"Esta colaboración de diferentes especialidades bajo un mismo techo es única, y nuestra gran ventaja de poder ser un líder global en investigación y docencia en este campo, "dice Carina Brunnhofer, estudiante en el IAP.
"Durante los próximos diez años, Desarrollaremos sistemas estables y comercialmente viables para la división de agua y CO 2 reducción basada en desarrollos metodológicos y una comprensión fundamental de la química y física de superficies, "dice Dominik Dworschak, el primer autor del estudio recientemente publicado. "Sin embargo, debe lograrse al menos una duplicación sostenible de la producción de energía actual en paralelo, "Markus Valtiner señala." Por lo tanto, estamos en un camino emocionante, en el que solo lograremos nuestros objetivos climáticos a través de investigación y desarrollo intersectorial.
