Ilustración del enfoque multidisciplinario para la producción de hidrógeno a través de la oxidación del silicio. El enfoque implica sintetizar nanopartículas de silicio, la reacción silicio-agua que genera hidrógeno bajo demanda, y usar el hidrógeno en una celda de combustible para energía portátil. Crédito:Folarin Erogbogbo, et al. © 2013 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Aunque los científicos saben que cuando el silicio se mezcla con el agua, el hidrógeno se produce por oxidación, nadie esperaba la rapidez con la que las nanopartículas de silicio podrían realizar esta tarea. Como ha revelado un nuevo estudio, Las nanopartículas de silicio de 10 nm pueden generar hidrógeno 150 veces más rápido que las nanopartículas de silicio de 100 nm, y 1, 000 veces más rápido que el silicio a granel. El descubrimiento podría allanar el camino hacia tecnologías rápidas de generación de hidrógeno de "solo agregue agua" para dispositivos portátiles sin la necesidad de luz. calor, o electricidad.
Los investigadores, Folarin Erogbogbo en la Universidad de Buffalo y coautores, han publicado su artículo sobre el uso de nanosilicio para generar hidrógeno en un número reciente de Nano letras .
Si alguna vez se va a utilizar hidrógeno para suministrar energía para amplias aplicaciones comerciales, uno de los requisitos es encontrar un forma económica de producir hidrógeno. Una de las técnicas de producción de hidrógeno más comunes es dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Hay varias formas de dividir el agua, como con una corriente eléctrica (electrólisis), calor, luz del sol, o una sustancia que reacciona químicamente con el agua. Tales sustancias incluyen aluminio, zinc, y silicio.
Como explicaron los científicos, Hasta ahora, las reacciones de oxidación de agua y silicio han sido lentas y poco competitivas con otras técnicas de división del agua. Sin embargo, el silicio tiene algunos beneficios teóricos, como ser abundante, siendo fácil de transportar, y tener una alta densidad energética. Más lejos, tras oxidación con agua, teóricamente, el silicio puede liberar dos moles de hidrógeno por mol de silicio, o el 14% de su propia masa en hidrógeno.
Por estas razones, los científicos decidieron echar un vistazo más de cerca al silicio, específicamente nanopartículas de silicio, que no se han estudiado previamente para la generación de hidrógeno. Debido a que las nanopartículas de silicio tienen un área de superficie más grande que las partículas más grandes o el silicio a granel, Se esperaría que las nanopartículas pudieran generar hidrógeno más rápidamente que las piezas más grandes de silicio.
Pero las mejoras que los científicos descubrieron con las nanopartículas de silicio superaron con creces sus expectativas. La reacción de partículas de silicio de 10 nm con agua produjo un total de 2,58 mol de hidrógeno por mol de silicio (incluso superando las expectativas teóricas), tardando 5 segundos en producir 1 mmol de hidrógeno. En comparación, la reacción con partículas de silicio de 100 nm produjo un total de 1,25 mol de hidrógeno por mol de silicio, tomando 811 segundos para producir cada mmol de hidrógeno. Para silicio a granel, La producción total fue de solo 1.03 mol de hidrógeno por mol de silicio, tomando 12,5 horas completas para producir cada mmol de hidrógeno. Para una comparación de tarifas, el silicio de 10 nm generó hidrógeno 150 veces más rápido que el silicio de 100 nm y 1, 000 veces más rápido que el silicio a granel.
"Creo que el mayor significado de este trabajo es la demostración de que el silicio puede reaccionar con el agua lo suficientemente rápido como para ser de uso práctico para la generación de hidrógeno a demanda". "coautor Mark Swihart, Profesor de Ingeniería Química y Biológica en la Universidad de Buffalo, dicho Phys.org . "Este resultado fue inesperado y de posible importancia práctica. Si bien no creo que la oxidación de nanopartículas de silicio se convierta en un método factible para la generación de hidrógeno a gran escala en el corto plazo, este proceso podría ser bastante interesante para aplicaciones portátiles a pequeña escala donde hay agua disponible ".
Una comparación de las tasas de generación de hidrógeno para diferentes formas de silicio. Las tasas máximas están en la columna de la izquierda con imágenes de las muestras. Las tasas promedio están en la columna de la derecha. La línea roja indica la tasa máxima informada de hidrógeno generado a partir de aluminio. Crédito:Folarin Erogbogbo, et al. © 2013 Sociedad Química Estadounidense
Además de producir hidrógeno más rápido que las piezas de silicio más grandes, el silicio de 10 nm también produce hidrógeno significativamente más rápido que las nanopartículas de aluminio y zinc. Como explicó Swihart, la explicación de esta desigualdad difiere para los dos materiales.
"En comparación con el aluminio, El silicio reacciona más rápido porque el aluminio forma un óxido más denso y robusto (Al 2 O 3 ) en su superficie, que limita la reacción, ", dijo." En presencia de una base como KOH [hidróxido de potasio], El silicio produce principalmente ácido silícico soluble (Si (OH) 4 ). Comparado con el zinc, el silicio es simplemente más reactivo, especialmente a temperatura ambiente ".
Aunque el área de superficie más grande del silicio de 10 nm en comparación con las piezas de silicio más grandes contribuye a su rápida tasa de producción de hidrógeno, El área de superficie por sí sola no puede explicar el enorme aumento de velocidad observado por los científicos. El área de superficie del silicio de 10 nm es 204 m 2 /gramo, aproximadamente 6 veces mayor que el área de superficie del silicio de 100 nm, que es 32 m 2 /gramo.
Para comprender qué causa el aumento mucho mayor en la tasa de producción de hidrógeno, los investigadores realizaron experimentos durante el proceso de grabado con silicio. Ellos encontraron que para las partículas de 10 nm, El grabado implica la eliminación de un número igual de planos de celosía en cada dirección (grabado isotrópico). A diferencia de, para partículas y micropartículas de 100 nm, Se eliminan números desiguales de planos de celosía en cada dirección (grabado anisotrópico).
Los investigadores atribuyen esta diferencia de grabado a las diferentes geometrías de cristales de diferentes tamaños. Como resultado de esta diferencia, las partículas más grandes adoptan formas no esféricas que exponen superficies menos reactivas en comparación con las partículas más pequeñas, que permanecen casi esféricos, exponiendo todas las facetas del cristal para que reaccionen. Las partículas más grandes también desarrollan capas más gruesas de subproductos de silicio oxidado a través de las cuales debe difundirse el agua. Ambos factores limitan la velocidad de reacción en partículas más grandes.
Para confirmar que la reacción de agua y silicio de 10 nm genera hidrógeno sin subproductos que puedan interferir con las aplicaciones, los investigadores utilizaron el hidrógeno generado por silicio para operar una celda de combustible. La pila de combustible funcionó muy bien, produciendo más corriente y voltaje que la cantidad teórica de hidrógeno puro, lo cual se debe al hecho de que las partículas de 10 nm generaron más hidrógeno que el teórico 14% en peso.
Los investigadores esperan que esta sorprendente capacidad de las nanopartículas de silicio para dividir rápidamente el agua y generar hidrógeno pueda conducir al desarrollo de una tecnología de hidrógeno bajo demanda que podría permitir el uso de pilas de combustible en dispositivos portátiles. Esta tecnología requeriría una gran escala, método energéticamente eficiente de producción de nanopartículas de silicio, pero podría tener algunas ventajas en comparación con otras técnicas de generación de hidrógeno.
"La principal ventaja de la oxidación del silicio para la generación de hidrógeno es su simplicidad, ", Dijo Swihart." Con este enfoque, el hidrógeno se produce rápidamente, a temperatura ambiente, y sin necesidad de ninguna fuente de energía externa. La energía necesaria para la generación de hidrógeno se almacena de forma eficaz en el silicio. Toda la entrada de energía necesaria para producir el silicio se puede proporcionar en una ubicación central, y el silicio se puede utilizar en aplicaciones portátiles.
"La principal desventaja de la oxidación del silicio es su relativa ineficiencia. El aporte de energía necesario para crear las nanopartículas de silicio es mucho mayor que la energía disponible del hidrógeno que finalmente se produce. Para aplicaciones a gran escala, esto sería un problema. Para aplicaciones portátiles, No lo es. Por ejemplo, el costo de la electricidad suministrada por una batería doméstica ordinaria puede ser fácilmente de 10 a 100 veces mayor que el costo de la electricidad de una empresa de servicios públicos, pero las baterías aún juegan un papel importante en nuestras vidas ".
En el futuro, Los investigadores planean aumentar aún más la capacidad de generación de hidrógeno de la oxidación del silicio experimentando con diferentes mezclas.
"Una dirección que estamos siguiendo actualmente es el uso de mezclas de nanopartículas de silicio con hidruros metálicos, que también reaccionan con el agua para producir hidrógeno, "Dijo Swihart." Los compuestos como el hidruro de litio y el hidruro de sodio reaccionan con el agua para producir la base (LiOH o NaOH) que se necesita para catalizar la oxidación del silicio. Sin embargo, pueden reaccionar demasiado rápido con el agua (explosivamente) y no son estables en el aire. Mezclarlos con nanopartículas de silicio o recubrirlos con nanopartículas de silicio puede servir tanto para templar su reactividad como para aumentar la capacidad de generación de hidrógeno del sistema reemplazando la base agregada (por ejemplo, KOH en el artículo publicado) con un material que también genera hidrógeno ".
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