Un futuro de energía limpia impulsado por combustible de hidrógeno depende de descubrir cómo dividir el agua de manera confiable y eficiente. Eso es porque, aunque el hidrógeno es abundante, debe derivarse de otra sustancia que lo contenga, y hoy, esa sustancia es a menudo gas metano. Los científicos están buscando formas de aislar este elemento portador de energía sin utilizar combustibles fósiles. Eso allanaría el camino para los autos que funcionan con hidrógeno, por ejemplo, que emiten solo agua y aire caliente por el tubo de escape.

Agua, o H2O, une hidrógeno y oxígeno. Los átomos de hidrógeno en forma de hidrógeno molecular deben separarse de este compuesto. Ese proceso depende de un paso clave, pero a menudo lento:la reacción de evolución de oxígeno (REA). El REA es lo que libera oxígeno molecular del agua, y controlar esta reacción es importante no solo para la producción de hidrógeno, sino también para una variedad de procesos químicos, incluidos los que se encuentran en las baterías.

Un estudio dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) ilumina una cualidad que cambia de forma en los óxidos de perovskita, un tipo de material prometedor para acelerar los REA. Los óxidos de perovskita abarcan una gama de compuestos que tienen todos una estructura cristalina similar. Por lo general, contienen un metal alcalinotérreo o lantánidos como La y Sr en el sitio A, y un metal de transición como Co en el sitio B, combinado con oxígeno en la fórmula ABO3. La investigación brinda información que podría usarse para diseñar nuevos materiales no solo para producir combustibles renovables sino también para almacenar energía.

Los óxidos de perovskita pueden provocar REA, y son menos costosos que los metales preciosos como el iridio o el rutenio que también funcionan. Pero los óxidos de perovskita no son tan activos (en otras palabras, eficiente en la aceleración de los REA) como estos metales, y tienden a degradarse lentamente.

"Comprender cómo estos materiales pueden ser activos y estables fue una gran fuerza impulsora para nosotros, "dijo Pietro Papa Lopes, un científico asistente en la división de Ciencia de Materiales de Argonne que dirigió el estudio. "Queríamos explorar la relación entre estas dos propiedades y cómo se conecta con las propiedades de la perovskita en sí".

La investigación anterior se ha centrado en las propiedades a granel de los materiales de perovskita y cómo se relacionan con la actividad de los REA. Los investigadores se preguntaron, sin embargo, si había más en la historia. Después de todo, la superficie de un material, donde reacciona con su entorno, puede ser completamente diferente al resto. Ejemplos como este están en todas partes en la naturaleza:piense en un aguacate partido a la mitad que se dora rápidamente donde se encuentra con el aire pero permanece verde por dentro. Para materiales de perovskita, una superficie que se vuelve diferente de la masa podría tener implicaciones importantes sobre cómo entendemos sus propiedades.

En sistemas de electrolizador de agua, que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno, Los óxidos de perovskita interactúan con un electrolito hecho de agua y especies especiales de sal, creando una interfaz que permita que el dispositivo funcione. A medida que se aplica corriente eléctrica, esa interfaz es fundamental para iniciar el proceso de división del agua. "La superficie del material es el aspecto más importante de cómo se desarrollará la reacción de evolución de oxígeno:cuánto voltaje necesita, y la cantidad de oxígeno e hidrógeno que producirá, "Dijo Lopes.

No solo la superficie del óxido de perovskita es diferente del resto del material, también cambia con el tiempo. "Una vez que está en un sistema electroquímico, la superficie de perovskita evoluciona y se convierte en una delgada, película amorfa, Lopes dijo. "Nunca es realmente el mismo que el material con el que comienzas".

Los investigadores combinaron cálculos teóricos y experimentos para determinar cómo evoluciona la superficie de un material de perovskita durante el REA. Para hacerlo con precisión, estudiaron perovskita de óxido de cobalto de lantano y la afinaron "dopando" el lantano con estroncio, un metal más reactivo. Cuanto más estroncio se añadió al material inicial, cuanto más rápido evolucionaba su superficie y se volvía activa para los REA, un proceso que los investigadores pudieron observar a resolución atómica con microscopía electrónica de transmisión. Los investigadores encontraron que la disolución del estroncio y la pérdida de oxígeno de la perovskita estaban impulsando la formación de esta capa superficial amorfa. que se explicó con más detalle mediante el modelado computacional realizado utilizando el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"La última pieza que faltaba para entender por qué las perovskitas estaban activas hacia los REA era explorar el papel de pequeñas cantidades de hierro presentes en el electrolito, Lopes dijo. El mismo grupo de investigadores descubrió recientemente que las trazas de hierro pueden mejorar los REA en otras superficies de óxido amorfo. Una vez que determinaron que una superficie de perovskita evoluciona a un óxido amorfo, luego quedó claro por qué el hierro era tan importante.

"Los estudios computacionales ayudan a los científicos a comprender los mecanismos de reacción que involucran tanto a la superficie de perovskita como al electrolito, "dijo Peter Zapol, físico en Argonne y coautor del estudio. "Nos centramos en los mecanismos de reacción que impulsan tanto la actividad como las tendencias de estabilidad en los materiales de perovskita. Esto no se suele hacer en estudios computacionales". que tienden a centrarse únicamente en los mecanismos de reacción responsables de la actividad ".

El estudio encontró que la superficie del óxido de perovskita evolucionó hacia una película amorfa rica en cobalto de solo unos pocos nanómetros de espesor. Cuando había hierro en el electrolito, el hierro ayudó a acelerar los REA, mientras que la película rica en cobalto tuvo un efecto estabilizador sobre el hierro, manteniéndolo activo en la superficie.

Los resultados sugieren nuevas estrategias potenciales para diseñar materiales de perovskita:uno puede imaginarse la creación de un sistema de dos capas, Lopes dijo, que es aún más estable y capaz de promover los REA.

"Los REA forman parte de muchos procesos, por lo que la aplicabilidad aquí es bastante amplia, "Lopes dijo." Comprender la dinámica de los materiales y su efecto en los procesos de la superficie es cómo podemos mejorar los sistemas de almacenamiento y conversión de energía, más eficiente y asequible ".

El estudio se describe en un artículo publicado y destacado en la portada del Revista de la Sociedad Química Estadounidense , "Sitios activos dinámicamente estables a partir de la evolución superficial de materiales de perovskita durante la evolución del oxígeno".