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Las reacciones electroquímicas aceleradas con catalizadores son fundamentales para muchos procesos de fabricación y uso de combustibles, productos químicos y materiales, incluido el almacenamiento de electricidad de fuentes de energía. Energía renovable en enlaces químicos, una importante capacidad para descarbonizar los combustibles de transporte. Ahora, la investigación del MIT podría allanar el camino para encontrar formas de hacer que ciertos catalizadores sean más activos y, por lo tanto, mejorar la eficiencia de dichos procesos.
Un nuevo proceso de producción produjo catalizadores que aumentaron cinco veces la eficiencia de las reacciones químicas, permitiendo potencialmente nuevos procesos útiles en bioquímica, química orgánica, química ambiental y electroquímica. Los resultados se describen hoy en la revisión. Catálisis natural, en un artículo de Yang Shao-Horn, profesor de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en el MIT y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE); Tao Wang, becario postdoctoral en RLE; Yirui Zhang, estudiante de posgrado del Departamento de Ingeniería Mecánica; y otros cinco.
El proceso implica agregar una capa de lo que se llama un líquido iónico entre un catalizador de oro o platino y una materia prima química. Los catalizadores producidos con este método podrían potencialmente permitir una conversión mucho más eficiente de combustible de hidrógeno en dispositivos de energía como pilas de combustible, o una conversión más eficiente de dióxido de carbono en combustibles.
"Existe una necesidad urgente de descarbonizar la forma en que impulsamos el transporte más allá de los vehículos ligeros, cómo fabricamos combustibles y cómo fabricamos materiales y químicos", dijo Shao-Horn, subrayando el llamado urgente para reducir las emisiones de carbono destacadas en el último IPCC. informe de cambio climático. Este nuevo enfoque para mejorar la actividad catalítica podría ser un paso importante en esa dirección, dice.
El uso de hidrógeno en dispositivos electroquímicos como las pilas de combustible es un enfoque prometedor para descarbonizar áreas como la aviación y los vehículos pesados, y el nuevo proceso puede ayudar a hacer estos usos prácticos. En la actualidad, la reacción de reducción de oxígeno que impulsa a estas pilas de combustible está limitada por su ineficacia. Los intentos anteriores de mejorar esta eficacia se han centrado en la elección de diferentes materiales catalíticos o en la modificación de su estructura y composición superficial.
En esta investigación, sin embargo, en lugar de modificar las superficies sólidas, el equipo agregó una capa delgada entre el catalizador y el electrolito, el material activo que participa en la reacción química. Descubrieron que la capa de líquido iónico regula la actividad de los protones que ayudan a aumentar la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en la interfaz.
Debido a que existe una amplia variedad de tales líquidos iónicos para elegir, es posible "sintonizar" la actividad de los protones y las velocidades de reacción para que coincidan con la actividad de los protones. Energía requerida para los procesos que involucran la transferencia de protones, que se pueden usar para producir combustibles y productos químicos a través de reacciones con oxígeno. .
"La actividad de los protones y la barrera para la transferencia de protones están gobernadas por la capa de líquido iónico y, por lo tanto, hay una gran adaptabilidad en términos de actividad catalítica para reacciones que involucran la transferencia de protones y protones. Electrones", dice Shao-Horn. Y el efecto es producido por una capa extremadamente fina del líquido, de solo unos pocos nanómetros de espesor, por encima de la cual hay una capa mucho más gruesa del líquido que va a sufrir la reacción.
"Creo que este concepto es nuevo e importante", dice Wang, el primer autor del artículo, "porque la gente sabe que la actividad de los protones es importante en muchas reacciones electroquímicas, pero tiene 39 años; es muy difícil de estudiar". Esto se debe a que en un ambiente acuático hay tantas interacciones entre las moléculas de agua vecinas involucradas que es muy difícil distinguir qué reacciones están teniendo lugar. Mediante el uso de un líquido iónico, cuyos iones pueden formar cada uno solo un enlace con el material intermedio, ha sido posible estudiar las reacciones en detalle, utilizando espectroscopía infrarroja.
Como resultado, dice Wang, “Nuestro descubrimiento destaca el papel fundamental que los electrolitos interfaciales, en particular los enlaces de hidrógeno intermoleculares, pueden desempeñar para mejorar la actividad del proceso electrocatalítico. También proporciona información fundamental sobre los mecanismos de transferencia de protones a nivel de la mecánica cuántica, lo que puede ampliar los límites del conocimiento de la interacción de protones y electrones en las interfaces catalíticas.
“El trabajo también es emocionante porque brinda a las personas un principio de diseño sobre cómo pueden ajustar los catalizadores”, dice Zhang. “Necesitamos ciertas especies en una 'ubicación ideal', ni demasiado activa ni demasiado inerte, para mejorar la velocidad de reacción. "
Con algunas de estas técnicas, explica Reshma Rao, un recién graduado de doctorado del MIT y ahora becario postdoctoral en el Imperial College de Londres, quien también es coautor del artículo, “estamos viendo un aumento en la actividad hasta cinco veces mayor . Creo que la parte más emocionante de esta investigación es cómo abre una dimensión completamente nueva en la forma en que pensamos sobre la catálisis. La finca había encontrado "una especie de obstáculo", dijo, encontrando formas de diseñar mejores materiales. Al enfocarse en la capa líquida en lugar de la superficie del material, 'esta es una forma completamente diferente de abordar este problema y abre una dimensión completamente nueva, un eje completamente nuevo a lo largo del cual podemos cambiar cosas y optimizar algunas de esas velocidades de reacción.
El equipo también incluyó a Botao Huang, Bin Cai y Livia Giordano del Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT, y Shi-Gang Sun de la Universidad de Xiamen en China. El trabajo fue apoyado por el Toyota Research Institute y utilizó el entorno de ciencia e ingeniería extrema de la National Science Foundation.
