El campo de la energía verde en rápido desarrollo busca constantemente mejoras, y los recientes avances en catalizadores de doble átomo tienen el potencial de revolucionar las tecnologías de conversión de energía.
En la búsqueda de alternativas sostenibles a las fuentes de energía basadas en el carbono, la necesidad de tecnologías rápidas, eficientes y escalables es crucial. Los sistemas de división de agua (WWS), que dependen de baterías alimentadas por energía solar, ofrecen una solución prometedora. Sin embargo, los intrincados y lentos pasos de reacción inherentes a los WWS limitan su escalabilidad para un uso generalizado.
Investigadores del Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao de la Academia de Ciencias de China buscaron un diseño mejorado para aumentar la velocidad y la estabilidad de las principales semirreacciones necesarias para que los WSS funcionen a un alto calibre:reacciones de reducción de oxígeno, reacciones de evolución de oxígeno y reacciones de desprendimiento de hidrógeno.
Resulta que los catalizadores de doble átomo, que unen catalizadores de un solo átomo y nanopartículas de aleación/metal, ofrecen más oportunidades para mejorar la cinética y el rendimiento multifuncional de las reacciones de reducción/evolución de oxígeno y de evolución de hidrógeno.
Sus resultados fueron publicados en Nature Communications. .
"Las reacciones de reducción/evolución de oxígeno y de evolución de hidrógeno son las reacciones centrales, que involucran procesos de acoplamiento de múltiples protones y electrones, que son cinéticamente lentos, por lo que es urgente desarrollar materiales electrocatalíticos eficientes, estables y de bajo costo para mejorar su eficiencia de conversión". dijo Jiang Heqing, autor correspondiente del estudio.
Los catalizadores de dos átomos (DAC), a diferencia de los catalizadores de un solo átomo (SAC), que tienen solo un átomo metálico por sitio activo, desempeñan un papel fundamental en el campo de la catálisis energética debido a su ventajosa actividad catalítica multifuncional, su mayor eficiencia de utilización atómica, y una interrupción más efectiva de la relación lineal con los intermediarios de reacción.
Además, la aplicación de SAC a los sistemas de conversión de energía limitará significativamente la eficiencia de la conversión de energía debido a las barreras de reacción más altas.
Los DAC se benefician del efecto sinérgico entre sus átomos metálicos duales, lo que permite una modulación eficaz de los efectos cooperativos entre los sitios activos duales y una reducción sustancial de las barreras energéticas necesarias para la reacción.
Teniendo en cuenta las ventajas de los DAC, explorar su mecanismo de síntesis a través de estrategias de sinterización a alta temperatura es crucial para avanzar en su preparación y facilitar las aplicaciones comerciales.
"Informamos sobre una nueva estrategia de atomización/sinterización para sintetizar y ajustar los estados de configuración de las especies de cobalto (Co) a nivel atómico, desde nanopartículas hasta átomos simples y átomos duales", dijo Huang Minghua, otro autor e investigador que contribuyó a el estudio.
La estrategia de atomización/sinterización implica la conversión de cobalto en nanopartículas (atomización), que luego se utilizan para formar especies de un solo átomo (SA) y dos átomos (DA) mediante el proceso de sinterización.
Una de las características más impresionantes de esta estrategia y los hallazgos de esta investigación son las aplicaciones que la atomización/sinterización puede tener para fabricar otros 21 DAC. Todo esto se debe a la observación de cómo se forman estos DAC mediante el proceso de atomización/sinterización. Cuantos más DAC haya, más oportunidades habrá disponibles para explorar otros medios para aprovechar mejor la energía de forma sostenible.
Probando las capacidades del Co2 de doble átomo N5 en baterías de zinc-aire mostró resultados prometedores. Las baterías de Zn-aire tenían una estabilidad de 800 horas y permitían la división continua del agua durante 1000 horas seguidas, lo que demuestra el potencial de funcionamiento ininterrumpido incluso durante la noche.
El trabajo sobre los DAC está en curso. "Esta estrategia universal y escalable brinda oportunidades para el diseño controlado de catalizadores de doble átomo multifuncionales eficientes en tecnologías de conversión de energía", afirmó Jiang Heqing.
Se pueden realizar más desarrollos para seguir mejorando las capacidades de los catalizadores bimetálicos. Ver cómo funcionan en diferentes circunstancias también puede resultar instructivo, como por ejemplo, cómo el sistema de división de agua maneja las temperaturas frías o el agua de mar. Colocar estos sistemas en condiciones adversas puede resaltar dificultades que deben resolverse y que pueden ser un obstáculo para el uso comercial o a gran escala.
Más información: Xingkun Wang et al, Desarrollo de una clase de materiales de átomos duales para reacciones catalíticas multifuncionales, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42756-8
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
