Una nueva forma de anclar átomos de iridio individuales a la superficie de un catalizador aumentó su eficiencia en la división de moléculas de agua a niveles récord. científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford informaron hoy.

Fue la primera vez que se aplicó este enfoque a la reacción de desprendimiento de oxígeno, o REA:parte de un proceso llamado electrólisis que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Si funciona con fuentes de energía renovables, La electrólisis podría producir combustibles y materias primas químicas de manera más sostenible y reducir el uso de combustibles fósiles. Pero el lento ritmo de los REA ha sido un cuello de botella para mejorar su eficiencia y poder competir en el mercado abierto.

Los resultados de este estudio podrían aliviar el cuello de botella y abrir nuevas vías para observar y comprender cómo operan estos centros catalíticos de un solo átomo en condiciones de trabajo realistas. dijo el equipo de investigación.

Publicaron sus resultados hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Backbones industriales

Los catalizadores son la columna vertebral de la industria química y prometen un futuro energético sostenible. Como casamenteros, agarran moléculas de un flujo de líquido o gas que pasa y las alientan a reaccionar entre sí, sin consumirse ellos mismos. Para maximizar la eficiencia de este proceso, Normalmente, las nanopartículas de catalizador se dispersan sobre la superficie de un material poroso que ofrece la mayor superficie posible para que se produzcan muchas reacciones simultáneamente.

Pero solo los átomos del exterior de una nanopartícula pueden participar en la catálisis; los internos se desperdician. Cuando el catalizador es un metal precioso caro como el iridio o el platino, incluso una pequeña cantidad de residuos es cara. Entonces, los científicos han estado trabajando en el uso de átomos individuales de estos metales preciosos en su lugar. Cada átomo es un centro de reacción catalítica. Su pequeño tamaño significa que muchos más de ellos pueden caber en la superficie de una estructura de soporte determinada. Esto aumenta enormemente la cantidad de catalizador activo que está expuesto a los reactivos y la cantidad de reacciones que pueden tener lugar a la vez. impulsar la eficiencia.

En este estudio, un equipo dirigido por el profesor Yi Cui de SLAC / Stanford y el científico del personal de SLAC Michal Bajdich desarrolló una nueva forma de anclar átomos de iridio individuales en una superficie de soporte. Los investigadores postdoctorales de Stanford Xueli Zheng y Jing Tang llevaron a cabo el experimento, con la ayuda de una simulación teórica de datos de rayos X del científico asociado del personal de SLAC, Alessandro Gallo, que reveló qué configuración sería la más estable y efectiva.

Anclaje átomo por átomo

Para hacer el nuevo catalizador, Los investigadores primero hicieron una estructura porosa para soportar los átomos de iridio que catalizarían la reacción.

Expusieron esta estructura espumosa a una solución que contiene compuestos de iridio, lo congeló rápidamente para crear una delgada, capa de hielo rica en iridio en la superficie, e hizo un procesamiento adicional para crear sitios bien distribuidos donde los átomos de iridio individuales se anclaron cómodamente en la superficie de apoyo.

Las observaciones de rayos X del catalizador en funcionamiento revelaron que los átomos de iridio estaban en un estado químico que los hace excepcionalmente efectivos para llevar a cabo la parte de la reacción de separación del agua que libera oxígeno.

Otras pruebas mostraron que esta actividad mejorada se debió enteramente al hecho de que el iridio estaba en forma de átomos aislados, y no solo a la gran superficie en la que estaban incrustados.

El catalizador resultante es mejor que la mayoría de los catalizadores a base de iridio conocidos hasta la fecha, informaron los investigadores. Dijeron que este nuevo sistema de anclaje de átomos proporciona un modelo ideal para sondear y establecer la conexión entre los catalizadores y sus estructuras de soporte para una variedad de reacciones electrocatalíticas.