Nuevo catalizador económico acelera la producción de oxígeno del agua | Noticias del MIT



Una reacción electroquímica que divide las moléculas de agua para producir oxígeno es fundamental para múltiples enfoques para producir combustibles alternativos para el transporte. Pero esta reacción debe ser facilitada por un material catalizador, y las versiones actuales requieren el uso de elementos raros y costosos como el iridio, lo que limita el potencial para producir dicho combustible.

Ahora, los investigadores del MIT y de otros lugares han desarrollado un tipo completamente nuevo de material catalizador, llamado marco orgánico de hidróxido metálico (MHOF), compuesto por componentes económicos y abundantes. La familia de materiales permite a los ingenieros adaptar con precisión la estructura y la composición del catalizador a las necesidades de un proceso químico en particular, y luego puede igualar o superar el rendimiento de los catalizadores convencionales más costosos.

Los resultados se describen hoy en la revista Materiales naturalesen un artículo del becario postdoctoral del MIT Shuai Yuan, el estudiante graduado Jiayu Peng, el profesor Yang Shao-Horn, el profesor Yuriy Román-Leshkov y otros nueve.

Las reacciones de evolución de oxígeno son una de las reacciones comunes en la producción electroquímica de combustibles, productos químicos y materiales. Estos procesos incluyen la generación de hidrógeno como subproducto de la evolución del oxígeno, que puede usarse directamente como combustible o sufrir reacciones químicas para producir otros combustibles para el transporte; la fabricación de amoníaco, para ser utilizado como fertilizante o materia prima química; y reducir el dióxido de carbono para controlar las emisiones.

Pero sin ayuda, «estas reacciones son lentas», dice Shao-Horn. «Para una reacción con cinética lenta, debe sacrificar voltaje o energía para promover la velocidad de reacción». Debido a la entrada de energía adicional requerida, “la eficiencia general es baja. Es por eso que la gente usa catalizadores”, dice, porque estos materiales naturalmente promueven reacciones al reducir la entrada de energía.

Pero hasta ahora estos catalizadores «todos se basan en materiales costosos o metales de transición tardía que son muy raros, por ejemplo, el óxido de iridio, y ha habido un gran esfuerzo en la comunidad para encontrar alternativas basadas en materiales abundantes en la Tierra que tengan el mismo rendimiento». en términos de actividad y estabilidad», dice Román-Leshkov. El equipo afirma haber encontrado materiales que ofrecen exactamente esta combinación de características.

Otros equipos han explorado el uso de hidróxidos metálicos, como los hidróxidos de níquel-hierro, dice Román-Leshkov. Pero estos materiales han sido difíciles de adaptar a los requisitos de aplicaciones específicas. Ahora, sin embargo, «la razón por la que nuestro trabajo es bastante emocionante y bastante relevante es que hemos encontrado una manera de adaptar las propiedades mediante la nanoestructuración de estos hidróxidos metálicos de una manera única».

El equipo se inspiró en la investigación realizada en una clase relacionada de compuestos conocidos como marcos organometálicos (MOF), que son un tipo de estructura cristalina formada por nudos de óxido de metal unidos por moléculas de enlace orgánico. . Al reemplazar el óxido metálico en estos materiales con ciertos hidróxidos metálicos, el equipo descubrió que era posible crear materiales sintonizables con precisión que también tenían la estabilidad para ser potencialmente útiles como catalizadores.

«Pones estas cadenas de estos enlazadores orgánicos uno al lado del otro, y en realidad dirigen la formación de láminas de hidróxido de metal que están interconectadas con estos enlazadores orgánicos, que luego se apilan y tienen una mayor estabilidad», explica Roman-Leshkov. Esto tiene múltiples beneficios, dice, ya que permite un control preciso de los patrones nanoestructurados, lo que permite un control preciso de las propiedades electrónicas del metal y también proporciona una mayor estabilidad, lo que les permite soportar largos períodos de uso.

Al probar estos materiales, los investigadores encontraron que el desempeño de los catalizadores fue «sorprendente», dice Shao-Horn. «Es comparable a la de los materiales de óxido avanzados que catalizan la reacción de evolución del oxígeno».

Al estar compuestos en gran parte de níquel y hierro, estos materiales deberían ser al menos 100 veces más baratos que los catalizadores existentes, dicen, aunque el equipo aún tiene que realizar un análisis económico completo.

Esta familia de materiales «realmente ofrece un nuevo espacio para ajustar los sitios activos de la catálisis de división del agua para producir hidrógeno con una entrada de energía reducida», dice Shao-Horn, para satisfacer las necesidades exactas de cualquier proceso químico en el que se requieran tales catalizadores.

Los materiales pueden proporcionar «cinco veces más sintonizabilidad» que los catalizadores basados ​​en níquel existentes, dice Peng, simplemente sustituyendo el níquel por diferentes metales en el compuesto. «Esto ofrecería potencialmente muchas vías relevantes para futuros descubrimientos». Los materiales también se pueden producir en láminas extremadamente delgadas, que luego se pueden recubrir sobre otro material, lo que reduce aún más los costos de material de tales sistemas.

Jusqu’à présent, les matériaux ont été testés dans des dispositifs de test de laboratoire à petite échelle, et l’équipe s’attaque maintenant aux problèmes d’essayer d’étendre le processus à des échelles commercialement pertinentes, ce qui pourrait encore prendre algunos años. Pero la idea tiene un gran potencial, dice Shao-Horn, para ayudar a catalizar la producción de hidrógeno limpio y libre de emisiones, de modo que «podemos reducir el costo del hidrógeno de este proceso sin estar limitados por la disponibilidad de metales preciosos». . Esto es importante porque necesitamos tecnologías de producción de hidrógeno escalables.

El equipo de investigación incluyó a otros del MIT, la Universidad de Estocolmo en Suecia, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y el Instituto de Investigación de Materiales y Física de Haces de Iones en Dresden, Alemania. El trabajo fue apoyado por el Instituto de Investigación de Toyota.

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