La transición de los combustibles fósiles a una economía de hidrógeno limpio requerirá formas más baratas y eficientes de utilizar fuentes renovables de electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno.

Pero un paso clave en ese proceso, conocida como reacción de desprendimiento de oxígeno o REA, ha demostrado ser un cuello de botella. Hoy en día es solo un 75% de eficiencia. y los catalizadores de metales preciosos utilizados para acelerar la reacción, como platino e iridio, son raros y caros.

Ahora, un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía ha desarrollado un conjunto de herramientas avanzadas para superar este cuello de botella y mejorar otros procesos relacionados con la energía. como encontrar formas de hacer que las baterías de iones de litio se carguen más rápido. El equipo de investigación describió hoy su trabajo en Nature.

Trabajando en Stanford, SLAC, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) y la Universidad de Warwick en el Reino Unido, Pudieron hacer zoom en nanopartículas de catalizador individuales, con forma de placas diminutas y unas 200 veces más pequeñas que un glóbulo rojo, y observar cómo aceleran la generación de oxígeno dentro de las células electroquímicas hechas a medida. incluyendo uno que cabe dentro de una gota de agua.

Descubrieron que la mayor parte de la actividad catalítica tenía lugar en los bordes de las partículas, y pudieron observar las interacciones químicas entre la partícula y el electrolito circundante a una escala de mil millonésimas de metro a medida que aumentaban el voltaje para impulsar la reacción.

Al combinar sus observaciones con el trabajo computacional previo realizado en colaboración con el Instituto SUNCAT de Ciencia de Interfaces y Catálisis en SLAC y Stanford, pudieron identificar un solo paso en la reacción que limita la rapidez con que puede avanzar.

"Este conjunto de métodos nos puede indicar dónde, qué y por qué de cómo funcionan estos materiales electrocatalíticos en condiciones de funcionamiento realistas, "dijo Tyler Mefford, un científico del personal de Stanford y el Instituto de Stanford para las Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC que dirigió la investigación. "Ahora que hemos descrito cómo utilizar esta plataforma, las aplicaciones son extremadamente amplias ".

Escalando hacia una economía de hidrógeno

La idea de usar electricidad para descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno se remonta a 1800, cuando dos investigadores británicos descubrieron que podían usar la corriente eléctrica generada por la batería de pila recién inventada de Alessandro Volta para alimentar la reacción.

Este proceso, llamada electrólisis, funciona como una batería a la inversa:en lugar de generar electricidad, utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Las reacciones que generan hidrógeno y oxígeno gaseoso tienen lugar en diferentes electrodos utilizando diferentes catalizadores de metales preciosos.

El hidrógeno gaseoso es una materia prima química importante para la producción de amoníaco y el refinado de acero. y cada vez más se considera un combustible limpio para el transporte de carga pesada y el almacenamiento de energía a largo plazo. Pero más del 95% del hidrógeno que se produce en la actualidad proviene del gas natural a través de reacciones que emiten dióxido de carbono como subproducto. Generación de hidrógeno a través de la electrólisis del agua impulsada por electricidad de la energía solar. viento, y otras fuentes sostenibles reducirían significativamente las emisiones de carbono en varias industrias importantes.

Pero para producir combustible de hidrógeno a partir del agua en una escala lo suficientemente grande como para impulsar una economía verde, Los científicos tendrán que hacer que la otra mitad de la reacción de división del agua, la que genera oxígeno, sea mucho más eficiente. y encontrar formas de hacerlo funcionar con catalizadores basados ​​en metales mucho más baratos y abundantes que los que se utilizan hoy en día.

"No hay suficientes metales preciosos en el mundo para impulsar esta reacción a la escala que necesitamos, "Mefford dijo, "y su costo es tan alto que el hidrógeno que generan nunca podría competir con el hidrógeno derivado de combustibles fósiles".

Mejorar el proceso requerirá una comprensión mucho mejor de cómo funcionan los catalizadores de división de agua, con suficiente detalle para que los científicos puedan predecir qué se puede hacer para mejorarlos. Hasta ahora, muchas de las mejores técnicas para realizar estas observaciones no funcionaron en el entorno líquido de un reactor electrocatalítico.

En este estudio, Los científicos encontraron varias formas de sortear esas limitaciones y obtener una imagen más nítida que nunca.

Nuevas formas de espiar catalizadores

El catalizador que eligieron investigar fue el oxihidróxido de cobalto, que vino en forma de piso, cristales de seis lados llamados nanoplaquetas. Los bordes eran afilados y extremadamente delgados, por lo que sería fácil distinguir si se estaba produciendo una reacción en los bordes o en la superficie plana.

Hace aproximadamente una década, El grupo de investigación de Patrick Unwin en la Universidad de Warwick había inventado una técnica novedosa para colocar una celda electroquímica en miniatura dentro de una gota a nanoescala que sobresale de la punta de un tubo de pipeta. Cuando la gota entra en contacto con una superficie, el dispositivo genera imágenes de la topografía de la superficie y de las corrientes iónicas y electrónicas con una resolución muy alta.

Para este estudio, El equipo de Unwin adaptó este diminuto dispositivo para trabajar en el entorno químico de la reacción de evolución del oxígeno. Los investigadores postdoctorales Minkyung Kang y Cameron Bentley lo movieron de un lugar a otro a través de la superficie de una sola partícula de catalizador mientras se producía la reacción.

"Nuestra técnica nos permite acercarnos para estudiar regiones de reactividad extremadamente pequeñas, "dijo Kang, quien dirigió los experimentos allí. "Estamos analizando la generación de oxígeno a una escala más de cien millones de veces menor que las técnicas típicas".

Descubrieron que, como suele ser el caso de los materiales catalíticos, solo los bordes estaban promoviendo activamente la reacción, sugiriendo que los futuros catalizadores deberían maximizar este tipo de característica delgada.

Mientras tanto, El investigador de Stanford y SIMES, Andrew Akbashev, utilizó microscopía de fuerza atómica electroquímica para determinar y visualizar exactamente cómo el catalizador cambiaba de forma y tamaño durante la operación. y descubrió que las reacciones que inicialmente cambiaron el catalizador a su estado activo eran muy diferentes de lo que se suponía anteriormente. En lugar de que los protones abandonen el catalizador para iniciar la activación, Los iones de hidróxido se insertaron primero en el catalizador, formando agua dentro de la partícula que hizo que se hinchara. A medida que avanzaba el proceso de activación, esta agua y los protones residuales fueron expulsados.

En un tercer conjunto de experimentos, el equipo trabajó con David Shapiro y Young-Sang Yu en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab y con una empresa de Washington, Colibrí científico para desarrollar una celda de flujo electroquímica que pudiera integrarse en un microscopio de rayos X de transmisión de barrido. Esto les permitió trazar un mapa del estado de oxidación del catalizador de trabajo, un estado químico que está asociado con la actividad catalítica, en áreas tan pequeñas como unos 50 nanómetros de diámetro.

"Ahora podemos comenzar a aplicar las técnicas que desarrollamos en este trabajo a otros materiales y procesos electroquímicos, "Mefford dijo." También nos gustaría estudiar otras reacciones relacionadas con la energía, como carga rápida en electrodos de batería, reducción de dióxido de carbono para la captura de carbono, y reducción de oxígeno, lo que nos permite utilizar hidrógeno en pilas de combustible ".