Si bien el hidrógeno se sugiere ampliamente como combustible alternativo con cero emisiones de carbono, la mayor parte de la producción comercial de combustible de hidrógeno se obtiene del refinado de combustibles fósiles. La reserva limitada de combustibles fósiles y su impacto negativo en el medio ambiente ha animado a los investigadores a desarrollar tecnologías alternativas para producir combustible de hidrógeno a través de un proceso ecológico. Este "hidrógeno verde" se puede producir a partir de la electrólisis del agua, que es abundante en la naturaleza, utilizando electricidad derivada de una fuente de energía renovable. Sin embargo, la eficiencia de la electrólisis del agua está significativamente limitada debido a la lenta reacción de desprendimiento de oxígeno (REA), que requiere un alto voltaje termodinámico de 1.23 V.

Para ahorrar energía para la generación de hidrógeno, Reemplazar la electrólisis lenta del agua con la reacción de oxidación de urea (UOR) ofrece una gran promesa, debido a termodinámicamente favorable (0,37 V, voltaje termodinámico) condiciones de electrólisis de urea. Existe una ventaja adicional de mitigar el problema de la contaminación por urea, donde alrededor de 2, Cada año se vierten al río 200 mil millones de toneladas de aguas residuales ricas en urea. Catalizadores a base de metales nobles, como platino (Pt) y rodio (Rh), se utilizan para mejorar la velocidad del proceso de oxidación. Sin embargo, estos catalizadores de metales nobles son muy caros y muestran un rendimiento deficiente en el funcionamiento a largo plazo.

Recientemente, Los catalizadores de un solo átomo (SAC) han mostrado un rendimiento excepcional en comparación con sus homólogos basados ​​en nanomateriales. Sin embargo, la baja carga de metal <3% en peso) de SAC, que es causado por la tendencia de los átomos de la superficie a migrar, plantea un serio desafío para una aplicación escalable.

Dirigido por el Director Asociado LEE Hyoyoung del Centro de Física de Nanoestructuras Integradas dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) ubicado en la Universidad de Sungkyunkwan, El equipo de investigación de IBS desarrolló una estrategia para lograr una carga ultra alta de sitios de átomos de un solo metal. Esto se logró mediante la introducción de tensión superficial en el material de soporte, lo que permitió una generación de combustible de hidrógeno asistida por oxidación de urea excepcional.

"Usamos el método de enfriamiento con nitrógeno líquido para generar tensión de tracción en la superficie del óxido de cobalto (Co ₃ O ₄ ). La velocidad de enfriamiento ultra alta expande el parámetro de celosía de la muestra templada debido a la expansión térmica, dando lugar a la tensión de tracción en la superficie del óxido. La superficie tensa de Co ₃ O ₄ estabilizado ~ 200% más de carga de un solo átomo de rodio (Rh _SA ; 6.6% en peso de carga a granel y 11.6% en peso de carga superficial) en comparación con el Co prístino ₃ O ₄ superficie. Descubrimos que la superficie deformada puede aumentar significativamente la barrera de energía de migración de Rh _SA en comparación con la superficie prístina, inhibiendo su migración y aglomeración, "dice el candidato a doctorado, Ashwani Kumar, el primer autor del estudio.

"Estábamos muy emocionados de descubrir que la alta carga de Rh _SA estabilizado en el co tensado ₃ O ₄ La superficie demostró una excepcional actividad UOR y estabilidad tanto en medios alcalinos como ácidos, que fue muy superior a los comerciales Pt / C y Rh / C. Esta estrategia de deformación superficial en el campo de las SAC nunca se había informado hasta nuestros hallazgos, "señala el director asociado Lee, el autor correspondiente del estudio. Los investigadores también encontraron que esta estrategia para la alta carga de sitios de un solo átomo no solo se limitaba al rodio. Carga ultra alta de otros metales nobles como el platino, iridio y los sitios de un solo átomo basados ​​en rutenio también se estabilizaron utilizando la estrategia de superficie deformada, lo que proporciona una base para una aplicación más general de este descubrimiento.

El equipo de investigación evaluó la eficiencia catalítica y el voltaje de trabajo necesarios para la oxidación de la urea utilizando este nuevo catalizador. El catalizador avanzado (Rh _SA en co tensado ₃ O ₄ ) requirió solo 1.28 V en comparación con el electrodo de hidrógeno reversible (RHE) para alcanzar una densidad de corriente de 10 mA (miliamperios) por cm2 del electrodo, que era inferior a la de los requisitos de los catalizadores comerciales de Pt y Rh de 1,34 y 1,45 V, respectivamente. Además, el catalizador también mostró estabilidad a largo plazo durante 100 horas sin ningún cambio de estructura. El grupo utilizó la simulación de la teoría funcional de la densidad para explorar el origen del extraordinario rendimiento del nuevo catalizador, que se reveló debido a una adsorción superior de urea y estabilización de los intermedios CO * / NH *. Es más, la electrólisis de urea ahorró ~ 16,1% más de energía en comparación con la electrólisis del agua para la generación de hidrógeno.

El director asociado Lee explica:"Este estudio proporciona una estrategia general para estabilizar la alta carga de sitios de un solo átomo para aplicaciones escalables, que era un problema de larga data en el campo de los SAC. Además, este estudio nos acerca un paso más hacia una economía de hidrógeno libre de carbono y que ahorra energía. Este electrocatalizador de oxidación de urea altamente eficiente nos ayudará a superar los desafíos a largo plazo del proceso de refinación de combustibles fósiles:producir hidrógeno de alta pureza para aplicaciones comerciales a bajo precio y de manera ecológica ".

El estudio fue publicado el 30 de septiembre en Ciencias de la energía y el medio ambiente .