El hidrógeno es una fuente sostenible de energía limpia que evita las emisiones tóxicas y puede agregar valor a múltiples sectores de la economía, incluido el transporte. generación de energía, fabricación de metales, entre otros. Las tecnologías para almacenar y transportar hidrógeno acortan la brecha entre la producción de energía sostenible y el uso de combustible. y por lo tanto son un componente esencial de una economía de hidrógeno viable. Pero los medios tradicionales de almacenamiento y transporte son costosos y susceptibles a la contaminación. Como resultado, los investigadores buscan técnicas alternativas que sean fiables, económico y sencillo. Los sistemas de suministro de hidrógeno más eficientes beneficiarían a muchas aplicaciones, como la energía estacionaria, poder portátil, e industrias de vehículos móviles.

Ahora, como se informa en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los investigadores han diseñado y sintetizado un material eficaz para acelerar uno de los pasos limitantes en la extracción de hidrógeno de los alcoholes. El material, un catalizador, está hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclados en un sustrato 2-D. El equipo dirigido por investigadores de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que el catalizador podría acelerar de manera limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un portador químico líquido. El material es robusto y está hecho de metales abundantes en la tierra en lugar de las opciones existentes hechas de metales preciosos. y ayudará a que el hidrógeno sea una fuente de energía viable para una amplia gama de aplicaciones.

"Presentamos aquí no solo un catalizador con mayor actividad que otros catalizadores de níquel que probamos, para un importante combustible de energía renovable, sino también una estrategia más amplia hacia el uso de metales asequibles en una amplia gama de reacciones, "dijo Jeff Urban, el director de la Instalación de Nanoestructuras Inorgánicas en la Fundición Molecular que dirigió el trabajo. La investigación es parte del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC), un consorcio financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Celdas de Combustible (EERE) del Departamento de Energía de EE. UU. A través de este esfuerzo, cinco laboratorios nacionales trabajan hacia el objetivo de abordar las lagunas científicas que bloquean el avance de los materiales de almacenamiento de hidrógeno sólido. Los resultados de este trabajo se incorporarán directamente a la visión H2 @ Scale de EERE para una producción de hidrógeno asequible, almacenamiento, distribución y utilización en múltiples sectores de la economía.

Los compuestos químicos que actúan como catalizadores como el desarrollado por Urban y su equipo se usan comúnmente para aumentar la velocidad de una reacción química sin que se consuma el compuesto en sí; pueden mantener una molécula en particular en una posición estable, o servir como intermediario que permita completar de manera confiable un paso importante. Para la reacción química que produce hidrógeno a partir de vehículos líquidos, los catalizadores más eficaces están hechos de metales preciosos. Sin embargo, esos catalizadores están asociados con altos costos y baja abundancia, y son susceptibles a la contaminación. Otros catalizadores menos costosos, hecho de metales más comunes, tienden a ser menos eficaces y menos estables, lo que limita su actividad y su despliegue práctico en las industrias de producción de hidrógeno.

Para mejorar el rendimiento y la estabilidad de estos catalizadores a base de metales abundantes en tierra, Urban y sus colegas modificaron una estrategia que se enfoca en pequeños, racimos uniformes de níquel metal. Los grupos pequeños son importantes porque maximizan la exposición de la superficie reactiva en una cantidad determinada de material. Pero también tienden a agruparse, que inhibe su reactividad.

Asistente de investigación postdoctoral Zhuolei Zhang y científico del proyecto Ji Su, tanto en Molecular Foundry como en los coautores principales del artículo, diseñó y realizó un experimento que combatió la aglomeración depositando grupos de níquel de 1,5 nanómetros de diámetro sobre un sustrato 2-D hecho de boro y nitrógeno diseñado para albergar una cuadrícula de hoyuelos a escala atómica. Los racimos de níquel se dispersaron uniformemente y se anclaron de forma segura en los hoyuelos. Este diseño no solo evitó la formación de grumos, pero sus propiedades térmicas y químicas mejoraron en gran medida el rendimiento general del catalizador al interactuar directamente con los racimos de níquel.

"Se ha descubierto que el papel de la superficie subyacente durante la etapa de formación y deposición de cúmulos es fundamental, y puede proporcionar pistas para comprender su papel en otros procesos ", dijo Urban.

Mediciones detalladas de rayos X y espectroscopía, combinado con cálculos teóricos, reveló mucho sobre las superficies subyacentes y su papel en la catálisis. Usando herramientas en la fuente de luz avanzada, una instalación para usuarios del DOE en Berkeley Lab, y métodos de modelado computacional, los investigadores identificaron cambios en las propiedades físicas y químicas de las láminas 2-D mientras se formaban y depositaban pequeños racimos de níquel sobre ellas. El equipo propuso que el material se forma mientras los grupos de metal ocupan regiones vírgenes de las láminas e interactúan con los bordes cercanos. preservando así el diminuto tamaño de los racimos. El pequeño Los racimos estables facilitaron la acción en los procesos mediante los cuales el hidrógeno se separa de su portador líquido, dotando al catalizador de una excelente selectividad, productividad, y rendimiento estable.

Los cálculos mostraron que el tamaño del catalizador era la razón por la que su actividad estaba entre las mejores en relación con otras que se han informado recientemente. David Prendergast, director de la Instalación de Teoría de Materiales Nanoestructurados en la Fundición Molecular, junto con la asistente de investigación postdoctoral y coautora principal Ana Sanz-Matias, utilizó modelos y métodos computacionales para descubrir la estructura geométrica y electrónica única de los pequeños grupos de metales. Átomos de metal desnudo, abundante en estos pequeños racimos, atrajo más fácilmente el vehículo líquido que las partículas metálicas más grandes. Estos átomos expuestos también facilitaron los pasos de la reacción química que quita el hidrógeno del portador, al mismo tiempo que previene la formación de contaminantes que pueden obstruir la superficie del racimo. Por eso, el material permaneció libre de contaminación durante los pasos clave en la reacción de producción de hidrógeno. Estas propiedades catalíticas y anticontaminación surgieron de las imperfecciones que se habían introducido deliberadamente en las láminas 2-D y, en última instancia, ayudaron a mantener pequeño el tamaño del grupo.

"La contaminación puede hacer inviables los posibles catalizadores de metales no preciosos. Nuestra plataforma aquí abre una nueva puerta para diseñar esos sistemas, "dijo Urban.

En su catalizador, los investigadores lograron el objetivo de crear un fácilmente disponibles, y material estable que ayuda a eliminar el hidrógeno de los vehículos líquidos para su uso como combustible. Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE para desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con los objetivos de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE y optimizar los materiales para su uso futuro en vehículos.

El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab perfeccionará aún más la estrategia de modificar los sustratos 2-D de manera que admitan pequeños grupos de metales. para desarrollar catalizadores aún más eficientes. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.