La energía del hidrógeno se ha convertido en una alternativa prometedora a los combustibles fósiles, ya que ofrece una fuente de energía limpia y sostenible. Sin embargo, el desarrollo de catalizadores eficientes y de bajo costo para la reacción de desprendimiento de hidrógeno sigue siendo un desafío.
Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado recientemente una estrategia novedosa para diseñar catalizadores de nanohojas ultrafinos estables y eficientes mediante la formación de estructuras de Turing con múltiples cristales nanogemelos. Este descubrimiento innovador allana el camino para mejorar el rendimiento del catalizador para la producción de hidrógeno verde.
El artículo, titulado "Estructuración de Turing con múltiples nanogemelos para diseñar catalizadores eficientes y estables para la reacción de evolución del hidrógeno", se publica en Nature Communications. .
La producción de hidrógeno mediante el proceso de electrólisis del agua con cero emisiones netas de carbono es uno de los procesos de producción de hidrógeno limpio. Si bien los nanomateriales de baja dimensión con defectos controlables o modificaciones de deformación han surgido como electrocatalizadores activos para la conversión y utilización de energía de hidrógeno, la estabilidad insuficiente en estos materiales debido a la degradación estructural espontánea y la relajación de deformación conduce a la degradación de su rendimiento catalítico.
Para abordar esta cuestión, un equipo de investigación dirigido por el profesor Lu Jian, decano de la Facultad de Ingeniería de CityU y director de la sucursal de Hong Kong del Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Materiales de Metales Preciosos, ha desarrollado recientemente una estrategia pionera de estructuración de Turing que no sólo activa sino que También estabiliza los catalizadores mediante la introducción de cristales nanogemelos de alta densidad. Este enfoque resuelve eficazmente el problema de inestabilidad asociado con materiales de baja dimensión en sistemas catalíticos, permitiendo una producción de hidrógeno eficiente y duradera.
Los patrones de Turing, conocidos como patrones estacionarios espaciotemporales, se observan ampliamente en sistemas biológicos y químicos, como la coloración regular de la superficie de las conchas marinas. El mecanismo de estas formaciones de patrones está relacionado con la teoría de reacción-difusión propuesta por Alan Turing, un famoso matemático inglés considerado como uno de los padres de la informática moderna, en la que el activador con un coeficiente de difusión más pequeño induce un crecimiento preferencial local.
"En investigaciones anteriores, la fabricación de materiales de baja dimensión se ha centrado principalmente en controles estructurales con fines funcionales, con pocas consideraciones sobre los controles espaciotemporales", afirmó el profesor Lu.
"Sin embargo, los patrones de Turing en nanomateriales se pueden lograr mediante el crecimiento anisotrópico de nanogranos de los materiales. Esta simetría reticular rota tiene implicaciones cristalográficas cruciales para el crecimiento de configuraciones específicas, como materiales bidimensionales (2D) con macla y rotura intrínseca. simetría. Así que queríamos explorar la aplicación de la teoría de Turing sobre el crecimiento de nanocatalizadores y las relaciones con los defectos cristalográficos."
En esta investigación, el equipo utilizó un enfoque de dos pasos para crear nanohojas superfinas de platino-níquel-niobio (PtNiNb) con tiras que topológicamente se parecen a los patrones de Turing. Estas estructuras de Turing en nanohojas se formaron mediante la unión de orientación restringida de nanogranos, lo que dio como resultado una red de nanogemelos de alta densidad intrínsecamente estable que actuó como estabilizadores estructurales que impidieron la degradación estructural espontánea y la relajación de la tensión.
Además, los patrones de Turing generaron efectos de tensión de la red que reducen la barrera energética de la disociación del agua y optimizan la energía libre de adsorción de hidrógeno para la reacción de evolución de hidrógeno, mejorando la actividad de los catalizadores y proporcionando una estabilidad excepcional. La superficie de la estructura de Turing a nanoescala exhibe una gran cantidad de interfaces gemelas, lo que también la convierte en un material excepcionalmente adecuado para aplicaciones dominadas por interfaces, en particular la catálisis electroquímica.
En los experimentos, los investigadores demostraron el potencial del nanocatalizador Turing PtNiNb recientemente inventado como catalizador estable de evolución de hidrógeno con una eficiencia excelente. Logró aumentos en la actividad de masa y el índice de estabilidad de 23,5 y 3,1 veces, respectivamente, en comparación con el 20% Pt/C comercial. El electrolizador de agua con membrana de intercambio aniónico basado en Turing PtNiNb con una carga de masa baja en platino (Pt) de 0,05 mg cm −2 También era extremadamente fiable, ya que podía alcanzar 500 horas de estabilidad a 1.000 mAcm −2 .
"Nuestros hallazgos clave proporcionan información valiosa sobre la activación y estabilización de materiales catalíticos con pequeñas dimensiones. Presenta un nuevo paradigma para mejorar el rendimiento del catalizador", afirmó el profesor Lu. "La estrategia de optimización de la estructura de Turing no solo aborda la cuestión de la degradación de la estabilidad en materiales de baja dimensión, sino que también sirve como un enfoque versátil de optimización de materiales aplicable a otros sistemas catalíticos y de aleación, mejorando en última instancia el rendimiento catalítico".
Más información: Jialun Gu et al, Estructuración de Turing con múltiples nanogemelos para diseñar catalizadores eficientes y estables para la reacción de evolución del hidrógeno, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40972-w
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de la ciudad de Hong Kong
