Descripción general de los nanotrusos de Fe que cubren la superficie y el borde de un sustrato de Si. Crédito:Robert Boyd och Thor Balkhed
Investigadores suecos han descubierto una forma nueva y eficiente de utilizar la electrocatálisis para producir gas hidrógeno a partir del agua. En lugar de utilizar electrodos de platino costosos y difíciles de obtener, el nuevo método utiliza electrodos con estructuras de nanopartículas de óxido de hierro. La investigación está dirigida por el profesor Ulf Helmersson.
El grupo de investigación de Física de Plasma y Recubrimientos de la Universidad de Linköping fabrica películas delgadas de nanomateriales. Para hacer esto, los investigadores utilizan una técnica conocida como "pulverización catódica de plasma pulsado". El proceso básico, chisporroteo es un método de recubrimiento comúnmente utilizado en la industria y la investigación. Los átomos se pulverizan sobre un sustrato en una cámara para formar una capa delgada de espesor constante, con la ayuda de gas ionizado. Los investigadores de LiU han desarrollado aún más la técnica y utilizan pulsos cortos pero muy eficientes de un plasma para hacer que las nanopartículas de los átomos pulverizados crezcan. Las nanopartículas crecen mientras flotan en el gas.
Sin embargo, en uno de los experimentos realizados por Sebastian Ekeroth, estudiante de doctorado en física de plasmas y recubrimientos, el material resultó haberse formado en el lugar completamente equivocado.
"Parecía como si hubiera escombros en la cámara. Examiné algunos de ellos en un microscopio y vi un paquete enredado de nanocables, " él recuerda.
El profesor Ulf Helmersson se dio cuenta de la importancia de los hallazgos, y se fundó un nuevo campo de investigación basado en nanoestructuras ferromagnéticas.
Los investigadores de todo el mundo se están interesando cada vez más en las nanopartículas ferromagnéticas y en cómo se pueden producir. en particular en varios tipos de solución. Estos materiales magnéticos son cada vez más interesantes para el almacenamiento de energía (con especial interés en el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables), catálisis, y la síntesis de productos químicos.
Amplíe la punta de un nanotruss donde los nanocables individuales son claramente visibles. Crédito:Linköping Universitet
El grupo de LiU, en colaboración con investigadores de la Universidad de Umeå, ha desarrollado un método para controlar la producción de nanoestructuras ferromagnéticas con la ayuda de la pulverización catódica de plasma pulsado. El resultado ha sido publicado en la prestigiosa revista Nanoletras .
En este caso, Sebastian Ekeroth ha utilizado argón ionizado introducido en una cámara con un cátodo de hierro y un ánodo de acero inoxidable. Los átomos de hierro se pulverizan desde el cátodo y forman nanopartículas con un diámetro de alrededor de 20 nm. Un campo magnético aplicado hace que las partículas de hierro, que son intrínsecamente magnéticos, para unirse y formar una estructura de celosía estable y bien definida, tanto en papel como en superficies metálicas.
La estructura completa, con todos sus ángulos y nudos, también está cubierto por una capa de óxido de hierro de 2 nm de espesor, cuando la estructura está expuesta al aire.
"La forma en que las partículas de hierro se enganchan entre sí da una estructura muy estable. El ambiente en un electrolito puede ser muy accidentado. Si la conductividad se debe preservar hasta el final del proceso, es importante que la estructura no se rompa, "dice Sebastian Ekeroth.
El método también se puede utilizar para áreas grandes.
"El método es adecuado para aplicaciones en las que se necesita un material tridimensional en grandes áreas, "dice Ulf Helmersson.
Crédito:Linköping Universitet
Los investigadores describen en el artículo de Nanoletters cómo han utilizado con éxito un cátodo con nanoestructuras de óxido de hierro en la superficie de una capa conductora de papel carbón para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno.
Este electrodo tiene muchas ventajas sobre los costosos electrodos hechos de platino difícil de obtener. El nuevo electrodo es ligero, se puede doblar, tiene una gran capacidad, y está compuesto únicamente por sustancias ecológicas y de fácil obtención, a saber, hierro, oxígeno y carbono.
El gas hidrógeno tiene un alto contenido energético. Cuando la energía química del hidrógeno se convierte en energía eléctrica en una celda de combustible, el único producto de desecho que se forma es el agua. El interés por las pilas de combustible aumenta constantemente, principalmente por motivos medioambientales. Sin embargo, El 96% del hidrógeno que se produce actualmente procede de fuentes no renovables. Ha comenzado la búsqueda de métodos de producción de hidrógeno más sensibles al medio ambiente. Este último también es un potencial portador de energía, y por lo tanto un posible medio para almacenar la energía obtenida de, por ejemplo, fuentes solares o energía eólica.
"La producción de hidrógeno es una aplicación importante, pero también estamos mirando
en otras áreas, como electrodos en baterías, en supercondensadores, y para su uso en fotocatálisis, "dice Ulf Helmersson.
