El mineral eritrita se compone de óxidos de cobalto y arsénico con una fórmula molecular de (Co3 (AsO4) 2 ∙ 8H2O). Es un sistema modelo para un grupo de materiales catalizadores que mejoran con el tiempo. Crédito:CC BY 3.0, a través de Wikimedia Commons
Como una regla, la mayoría de los materiales catalíticos se deterioran durante los ciclos catalíticos repetidos:envejecen. Pero también hay compuestos que aumentan su rendimiento durante el transcurso de la catálisis. Un ejemplo es el mineral eritrita, un compuesto mineral que comprende óxidos de cobalto y arsénico con una fórmula molecular de (Co 3 (AsO 4 ) 2 ∙ 8H 2 O). El mineral destaca por su color violeta. La eritrita se presta a acelerar la generación de oxígeno en el ánodo durante la división electrolítica del agua en hidrógeno y oxígeno.
Muestras de Costa Rica
El joven grupo de investigadores encabezado por el Dr. Marcel Risch en el HZB junto con grupos de Costa Rica ahora ha analizado estos materiales minerales catalizadores en detalle en BESSY II y ha hecho un descubrimiento interesante.
Usando muestras producidas por colegas en Costa Rica que consisten en pequeños cristales de eritrita en forma de polvo, Javier Villalobos, un estudiante de doctorado en el grupo de Risch en el HZB, recubrió los electrodos con este polvo. Luego los examinó antes, durante, y después de cientos de ciclos de electrólisis en cuatro electrolitos de pH neutro diferentes, incluida la soda ordinaria (agua carbonatada).
Pérdida de estructura original
Tiempo extraordinario, la superficie de cada capa catalíticamente activa mostró cambios claros en todos los electrolitos. La estructura cristalina original se perdió, como se muestra en las imágenes del microscopio electrónico de barrido, y más iones de cobalto cambiaron su número de oxidación debido al voltaje aplicado, que se determinó electroquímicamente. También se demostró un mayor rendimiento de oxígeno a lo largo del tiempo en el agua de soda (agua carbonatada), aunque solo en ese electrolito. El catalizador mejoró claramente.
Observaciones en BESSY II
Con análisis en BESSY II, los investigadores ahora pueden explicar por qué fue así:utilizando espectroscopía de absorción de rayos X, analizaron el entorno atómico y químico alrededor de los iones de cobalto. Las muestras más activas perdieron su estructura cristalina de eritrita original y se transformaron en una estructura menos ordenada que puede describirse como plaquetas de solo dos átomos de espesor. Cuanto más grandes se volvían estas plaquetas, cuanto más activa era la muestra. Los datos a lo largo de los ciclos de catálisis mostraron que el número de oxidación del cobalto en estas plaquetas aumentó más en el agua de soda. de 2.0 a 2.8. Dado que se sabe que los óxidos con un número de oxidación de 3 son muy buenos catalizadores, esto explica la mejora con respecto a los catalizadores que se formaron en los otros electrolitos.
El rendimiento de oxígeno se duplicó
En agua con gas el rendimiento de oxígeno por ion cobalto se redujo en un factor de 28 en 800 ciclos, pero al mismo tiempo 56 veces más átomos de cobalto cambiaron su número de oxidación electroquímicamente. Macroscópicamente, la generación de corriente eléctrica y, por tanto, el rendimiento de oxígeno del electrodo se duplicó.
De agujas al queso suizo
En una palabra, Risch explica:"Con el tiempo, el material se vuelve como queso suizo con muchos agujeros y una superficie más grande donde pueden tener lugar muchas más reacciones. Incluso si los centros individuales catalíticamente activos se vuelven algo más débiles con el tiempo, el área de superficie más grande significa que muchos más centros potenciales catalíticamente activos entran en contacto con el electrolito y aumentan el rendimiento ".
Risch sugiere que tales mecanismos también se pueden encontrar en muchas otras clases de materiales que consisten en compuestos no tóxicos, que se pueden desarrollar en catalizadores adecuados.
El estudio fue publicado en Materiales energéticos avanzados .
