Investigadores Utilizan Gelatina Para Producir Un Nuevo Y Potente Catalizador De Combustible De Hidrógeno

Evolución del catalizador de combustible de hidrógeno

Los carburos metálicos bidimensionales provocan una reacción que divide el agua en oxígeno y gas hidrógeno valioso. Los investigadores de Berkeley han descubierto una nueva receta fácil para cocinar estas láminas delgadas en nanómetros que es casi tan simple como hacer gelatina de una caja. (Gráfico de Xining Zang, copyright Wiley)

Un nuevo catalizador económico y eficaz desarrollado por investigadores del Universidad de California, Berkeley , puede generar combustible de hidrógeno a partir del agua con la misma eficacia que el platino, que actualmente es el mejor catalizador de separación de agua, pero también el más caro.

El catalizador, que está compuesto por láminas de carburo metálico delgadas en nanómetros, se fabrica mediante un proceso de autoensamblaje que se basa en un ingrediente sorprendente: la gelatina, el material que le da a Jell-O su agitación.

“El platino es caro, por lo que sería deseable encontrar otros materiales alternativos para reemplazarlo”, dijo el autor principal Liwei Lin, profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley. “De hecho, estamos usando algo similar a la gelatina que se puede comer como base y lo mezclamos con algunos de los abundantes elementos terrestres para crear un nuevo material económico para reacciones catalíticas importantes”.

El trabajo aparece en la edición impresa del 13 de diciembre de la revista Advanced Materials.

Evolución del combustible de hidrógeno

Cuando se amplía, los carburos metálicos bidimensionales se asemejan a láminas de cellphane. (Foto de Xining Zang, copyright Wiley)

Un golpe de electricidad puede romper los fuertes enlaces que unen las moléculas de agua, creando oxígeno e hidrógeno, el último de los cuales es una fuente de energía extremadamente valiosa para alimentar las celdas de combustible de hidrógeno. El gas hidrógeno también se puede usar para ayudar a almacenar energía de fuentes de energía renovables pero intermitentes como la energía solar y eólica, que producen un exceso de electricidad cuando brilla el sol o cuando sopla el viento, pero que permanecen inactivas en días lluviosos o tranquilos.

Pero simplemente meter un electrodo en un vaso de agua es un método extremadamente ineficaz para generar gas hidrógeno. Durante los últimos 20 años, los científicos han estado buscando catalizadores que puedan acelerar esta reacción, haciéndola práctica para su uso a gran escala.

“La forma tradicional de utilizar gas de agua para generar hidrógeno todavía domina en la industria. Sin embargo, este método produce dióxido de carbono como subproducto ”, dijo el primer autor Xining Zang, quien realizó la investigación como estudiante de posgrado en ingeniería mecánica en UC Berkeley. “La generación de hidrógeno electrocatalítico está creciendo en la última década, siguiendo la demanda global de reducir las emisiones. El desarrollo de un catalizador de electrohidrólisis altamente eficiente y de bajo costo traerá grandes beneficios técnicos, económicos y sociales ”.

Para crear el catalizador, los investigadores siguieron una receta casi tan simple como hacer gelatina de una caja. Mezclaron gelatina y un ion metálico, ya sea molibdeno, tungsteno o cobalto, con agua, y luego dejaron secar la mezcla.

“Creemos que a medida que la gelatina se seca, se autoensambla capa por capa”, dijo Lin. “El ion metálico es transportado por la gelatina, por lo que cuando la gelatina se autoensambla, su ion metálico también se organiza en estas capas planas, y estas láminas planas son las que le dan a la gelatina su característica superficie similar a un espejo”.

Calentar la mezcla a 600 grados Celsius hace que el ión metálico reaccione con los átomos de carbono de la gelatina, formando láminas de carburo metálico grandes y delgadas en nanómetros. La gelatina sin reaccionar se quema.

Los investigadores probaron la eficiencia de los catalizadores colocándolos en agua y haciendo pasar una corriente eléctrica a través de ellos. Cuando se apilan uno contra el otro, el carburo de molibdeno divide el agua de manera más eficiente, seguido por el carburo de tungsteno y luego el carburo de cobalto, que no forma capas delgadas tan bien como los otros dos. La mezcla de iones de molibdeno con una pequeña cantidad de cobalto impulsó aún más el rendimiento.

“Es posible que otras formas de carburo proporcionen un rendimiento aún mejor”, dijo Lin.

Evolución del catalizador de hidrógeno

Las moléculas de gelatina se autoensamblan naturalmente en láminas planas, llevando consigo los iones metálicos (izquierda). Calentar la mezcla a 600 grados Celsius quema la gelatina, dejando láminas de carburo metálico delgadas en nanómetros. (Ilustración de Xining Zang, copyright Wiley)

La forma bidimensional del catalizador es una de las razones por las que tiene tanto éxito. Esto se debe a que el agua tiene que estar en contacto con la superficie del catalizador para realizar su trabajo, y la gran superficie de las láminas significa que los carburos metálicos son extremadamente eficientes para su peso.

Debido a que la receta es tan simple, podría ampliarse fácilmente para producir grandes cantidades del catalizador, dicen los investigadores.

“Descubrimos que el rendimiento está muy cerca del mejor catalizador hecho de platino y carbono, que es el estándar de oro en esta área”, dijo Lin. “Esto significa que podemos reemplazar el platino muy caro con nuestro material, que se fabrica en un proceso de fabricación muy escalable”.

Los coautores del estudio son Lujie Yang, Buxuan Li y Minsong Wei de UC Berkeley, J. Nathan Hohman y Chenhui Zhu del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Wenshu Chen y Jiajun Gu de la Universidad Jiao Tong de Shanghai; Xiaolong Zou y Jiaming Liang del Instituto Shenzhen; y Mohan Sanghasadasa del RDECOM AMRDEC del Ejército de Estados Unidos.

Esta investigación fue apoyada por el Berkeley Sensor and Actuator Center, la Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, del Departamento de Energía de los EE. UU. (DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-05CH11231 y DE-AC02-05CH11231) y Youth 1000 – Programa de Talento de China, Comisión de Desarrollo y Reforma del Municipio de Shenzhen.

Publicación: Xining Zang, et al., “Autoensamblaje de carburos metálicos de transición policristalinos 2D de gran área para electrocatálisis de hidrógeno”, Advanced Materials, 2018; doi: 10.1002 / adma.201805188

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