Si no se controla, la corrosión puede oxidar automóviles y tuberías, derribar edificios y puentes y devorar nuestros monumentos. La corrosión también puede dañar dispositivos que podrían ser clave para un futuro de energía limpia. Y ahora, investigadores de la Universidad de Duke han capturado primeros planos de ese proceso en acción.
"Al estudiar cómo y por qué los dispositivos de energía renovable se descomponen con el tiempo, podríamos extender su vida útil", afirmó el profesor de química y autor principal Iván Moreno-Hernández.
En su laboratorio de Duke se encuentra una versión en miniatura de uno de esos dispositivos. Llamado electrolizador, separa el hidrógeno del agua utilizando electricidad para impulsar la reacción.
Cuando la electricidad para alimentar la electrólisis proviene de fuentes renovables como la eólica o la solar, el gas hidrógeno que produce se considera una fuente prometedora de combustible limpio, porque no se necesitan combustibles fósiles para producirlo y se quema sin crear dióxido de carbono que calienta el planeta. .
Varios países tienen planes de aumentar su producción del llamado "hidrógeno verde" para ayudar a frenar su dependencia de los combustibles fósiles, particularmente en industrias como la fabricación de acero y cemento.
Pero antes de que el hidrógeno pueda generalizarse, es necesario superar algunos obstáculos importantes.
Parte del problema es que los electrolizadores requieren catalizadores de metales raros para funcionar, y estos son propensos a la corrosión. No son los mismos después de un año de funcionamiento que al principio.
En un estudio publicado el 10 de abril en el Journal of the American Chemical Society , Moreno-Hernández y su Ph.D. El estudiante Avery Vigil utilizó una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión en fase líquida para estudiar las complejas reacciones químicas que ocurren entre estos catalizadores y su entorno y que causan su desintegración.
Tal vez recuerdes de la escuela secundaria que para producir gas hidrógeno, un electrolizador divide el agua en sus moléculas de hidrógeno y oxígeno constituyentes. Para el estudio actual, el equipo se centró en un catalizador llamado dióxido de rutenio que acelera la mitad de la reacción con oxígeno, ya que ese es el cuello de botella en el proceso.
"Básicamente sometimos estos materiales a una prueba de estrés", afirmó Vigil.
Dispararon nanocristales de dióxido de rutenio con radiación de alta energía y luego observaron los cambios provocados por el ambiente ácido dentro de la célula.
Para tomar fotografías de objetos tan pequeños, utilizaron un microscopio electrónico de transmisión, que dispara un haz de electrones a través de nanocristales suspendidos dentro de una bolsa de líquido súper delgada para crear imágenes en intervalos de tiempo de la química que tiene lugar a 10 fotogramas por segundo. /P>
El resultado:primeros planos dignos de un escritorio de cristales del tamaño de un virus, más de mil veces más finos que un cabello humano, a medida que se oxidan y se disuelven en el líquido ácido que los rodea.
"De hecho, podemos ver el proceso de descomposición de este catalizador con una resolución a nanoescala", afirmó Moreno-Hernández.
En el transcurso de cinco minutos, los cristales se rompieron lo suficientemente rápido como para "inutilizar un dispositivo real en cuestión de horas", dijo Vigil.
Ampliando cientos de miles de veces, los videos revelan defectos sutiles en las formas 3D de los cristales que crean áreas de tensión, causando que algunos se rompan más rápido que otros.
Al minimizar tales imperfecciones, los investigadores dicen que algún día podría ser posible diseñar dispositivos de energía renovable que duren entre dos y tres veces más que los actuales.
"Entonces, en lugar de ser estable durante, digamos, dos años, un electrolizador podría durar seis años. Eso podría tener un impacto masivo en las tecnologías renovables", afirmó Moreno-Hernández.
Más información: S. Avery Vigil et al, Heterogeneidad de disolución observada en nanocristales de dióxido de rutenio anisotrópico mediante microscopía electrónica de transmisión en fase líquida, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2024). DOI:10.1021/jacs.3c13709
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por la Universidad de Duke
