Producido fácilmente, nanoestructuras similares a la naturaleza de fosfuro de cobalto son catalizadores altamente efectivos para la electrólisis del agua, según una investigación realizada por el químico Ning Yan y su equipo en el Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Ámsterdam junto con compañeros de trabajo de la Escuela de Física y Tecnología de la Universidad de Wuhan, Porcelana. En un documento que aparece en la portada de la Revista de Química de Materiales A , describen cómo los métodos de deposición electroquímica relativamente sencillos producen pasto, hoja-, y nanoestructuras similares a flores que llevan la promesa de una generación eficiente de hidrógeno.

Para preparar nanoestructuras, Los enfoques de arriba hacia abajo, como la litografía, han sido comunes desde hace mucho tiempo. Esto ha demostrado ser bastante útil en la fabricación de semiconductores, pero para aplicaciones más dedicadas, lleva mucho tiempo y no es particularmente rentable. Como alternativa, muchos investigadores exploran la síntesis ascendente de nanoestructuras, por ejemplo, basado en el autoensamblaje de moléculas o bloques de construcción a nanoescala. Sin embargo, lograr el control de la geometría a menudo requiere costosos aditivos y tensioactivos, haciendo que la preparación de materiales a gran escala sea un desafío.

Como alternativa, Profesor asistente Ning Yan, junto con su Ph.D. estudiantes Jasper Biemolt y Pieter Laan del Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Amsterdam, ahora han explorado un método relativamente sencillo de electrodeposición de hidróxido de cobalto. En cooperación con investigadores de la Escuela de Física y Tecnología de la Universidad de Wuhan, Porcelana, han podido diseñar y preparar una variedad de nanoarquitecturas que se asemejan a varios elementos de un jardín:suelo, coles, pastos flores y se va.

Los investigadores informan que han dominado el sistema de tal manera que pueden hacer crecer cualquiera de estas estructuras a voluntad.

Agregando a esto, pudieron hacer que las nanoestructuras fueran catalíticamente activas mediante un simple procedimiento de fosfidación. Las nanoestructuras de fosfuro de cobalto resultantes muestran una actividad catalítica bifuncional en la división del agua electrolítica, mejorando las reacciones de generación de hidrógeno y oxígeno.

Nanoestructuras jerárquicas mediante síntesis controlada

Ning Yan y sus compañeros de trabajo cultivaron sus nanojardines en una tela que constaba de fibras de carbono de alrededor de 10 micrómetros de diámetro. un material de electrodo común en las industrias de pilas de combustible y electrolizadores. La jardinería comenzó depositando una capa de "tierra" encapsulando hidrotermalmente las fibras con una densa capa de hidróxido de cobalto. Esta capa aumentó la estabilidad estructural de las nanoestructuras. Mediante la variación de la concentración de iones y la temperatura, fueron capaces de inducir el "brote" de características similares a las de la hierba que están fuertemente "enraizadas" en el suelo.

Estos pastos tienen una longitud media de 1,5 μm y un grosor de unos 100 nm. Para agregar flores y hojas a las características herbáceas, los investigadores aplicaron un método de electrodeposición. En una solución diluida, la electrodeposición procede predominantemente de la punta del tallo de la hierba, donde el pequeño radio de curvatura da como resultado una mayor densidad de carga espacial. En soluciones más concentradas, la electrodeposición procede principalmente del fondo de los tallos. Esto da como resultado la deposición de características "frondosas", que de hecho son estructuras de depósito dendríticas entrelazadas.

Después de convertir las nanoestructuras de hidróxido de cobalto en fosfuro de cobalto mediante fosfidación, los investigadores evaluaron su actividad catalítica en un entorno que representaba adecuadamente las condiciones industrialmente relevantes. Como se vio despues, el rendimiento del catalizador en un entorno ácido se encuentra entre los mejores catalizadores de metales no preciosos superiores de la actualidad para el desprendimiento de hidrógeno. Es más, en condiciones ácidas, alcalinas y neutras, las nanocaracterísticas florales dieron como resultado frecuencias de rotación significativamente mayores que las características de las hojas, particularmente a sobrepotenciales más altos cuando el desprendimiento de hidrógeno está influenciado por las limitaciones del transporte masivo. Los investigadores atribuyen esto a la geometría de las nano características donde las flores permiten una descarga más suave de hidrógeno. Sin embargo, los diferentes entornos de reacción en las posiciones superior e inferior de las nanoestructuras se complementan entre sí, dando como resultado un rendimiento general óptimo.

Finalmente, en experimentos de electrólisis sobre la división del agua, Los investigadores demostraron que sus nanojardines no solo catalizan la reacción de desprendimiento de hidrógeno, sino también el desprendimiento de oxígeno. Esta actividad bifuncional se demostró utilizando una configuración simétrica de dos electrodos con nanojardines completamente idénticos en el ánodo y el cátodo. El equipo investigará más a fondo el uso de electrones para controlar el crecimiento de nanocristales en una síntesis de materiales "electrificados" que promete un futuro sostenible.