A medida que la demanda de energía sigue aumentando, la investigación de fuentes de energía limpias y renovables nuevas y eficientes es una prioridad urgente. Actualmente, las fuentes de energía renovables como la solar, la eólica, las mareas y la geotérmica representan menos del 40% de la demanda energética actual. Aumentar este porcentaje y reducir la cantidad de combustibles fósiles utilizados requerirá otras fuentes de energía renovables y limpias más eficientes.
El hidrógeno es una alternativa prometedora, pero actualmente se produce mediante reformado con vapor, que es ineficiente y produce CO2 emisiones. La división electroquímica del agua, también llamada electrólisis del agua, puede aprovechar la electricidad generada a partir de fuentes renovables y es una posible solución eficiente para producir hidrógeno.
La división del agua requiere una reacción llamada reacción de evolución de hidrógeno (HER), pero los nanocatalizadores involucrados en esta HER no tienen un tamaño, composición, estructura o entorno de coordinación química uniformes para mejorar la eficiencia y promover la comprensión del mecanismo de reacción. La solución a este problema puede estar en nanoclusters de oro atómicamente precisos.
En una revisión de la literatura publicada en Polyoxometalates El 19 de agosto, los investigadores resumen el trabajo existente que estudia cómo los nanoclusters de oro pueden mejorar el rendimiento catalítico y promover HER.
"Es extremadamente difícil lograr un catalizador modelo con un tamaño absolutamente uniforme, una configuración geométrica definida y un entorno químico local bien definido a nivel anatómico para establecer una relación estructura-rendimiento inequívoca a nivel atómico. Los nanoclusters de oro atómicamente precisos pueden potencialmente resolver esas cuestiones", afirmó Zhenghua Tang, investigador del Instituto de Investigación de Nuevas Energías de la Universidad Tecnológica del Sur de China en Guangzhou, China. "Específicamente, los nanoclusters de oro han demostrado propiedades catalíticas extraordinarias en diversas reacciones orgánicas y reacciones electrocatalíticas."
El nanocluster de oro es especialmente adecuado para ser un catalizador de HER por varias razones. A diferencia de otros nanocatalizadores, el nanocluster de oro tiene una nanoestructura precisa. Esta estructura precisa significa que todos los nanoclusters de oro son uniformes en tamaño, composición, morfología y entorno químico.
También es útil para identificar los sitios activos para la catálisis de HER. Las ricas reactividades químicas de los nanoclusters de oro permiten tanto la adaptación del núcleo metálico como la ingeniería de ligandos de superficie. La adaptación del núcleo metálico se produce cuando se introduce otro metal en el nanocluster de oro, que forma un cluster de aleación de oro. La introducción de otro metal puede dotar de nuevas capacidades catalíticas y reducir el coste. En la ingeniería de ligandos de superficie, el entorno químico de la superficie se puede ajustar para exponer más sitios activos o cambiar la estructura del nanocluster.
Finalmente, los nanoclusters de oro tienen otras ventajas estructurales, como el tamaño ultrapequeño, lo que cumple con el principio de "lo pequeño es precioso" en el campo de la catálisis; la morfología se puede ajustar y manipular; Estabilidad robusta con estructura intacta preservada en diversas reacciones en condiciones suaves.
"Los casos presentados en esta revisión muestran claramente que a menudo se muestran propiedades catalíticas excepcionales de HER debido a las distintas ventajas de los nanoclusters de oro en comparación con las nanopartículas de oro. Sin embargo, ciertamente existen desafíos al emplear nanoclusters de oro para la catálisis de HER", dijo Tang. P>
Algunos de los desafíos comunes asociados con los nanoclusters de oro son encontrar una solución a la cantidad de oro que se necesitaría para escalar el uso de estos catalizadores, problemas con el rendimiento de los nanocatalizadores en condiciones difíciles y modelos teóricos inexactos.
De cara al futuro, los investigadores están planificando cuáles deberían ser los próximos pasos en la investigación de nanocatalizadores. Las vías sugeridas incluyen probar la aplicabilidad del compuesto basado en grupos de oro para otras reacciones junto con HER y mejorar la conductividad eléctrica del catalizador compuesto basado en grupos.
"Debido al rápido desarrollo de las técnicas sintéticas y la ciencia de la catálisis, anticipamos que se dedicarán más esfuerzos de investigación al uso de nanoclusters metálicos atómicamente precisos como catalizadores modelo para diversas reacciones electrocatalíticas y más", dijo Tang.
Más información: Xin Zhu et al, Nanoclusters de Au atómicamente precisos para la catálisis electroquímica de evolución de hidrógeno:avances y perspectivas, Polioxometalatos (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140031
Proporcionado por Tsinghua University Press
