Altas tasas de reacción incluso sin metales preciosos
Los metales preciosos son a menudo catalizadores eficientes. Pero son caros y raros. Sin embargo, hasta ahora ha sido difícil determinar cuán eficientes son las alternativas de metales no preciosos.
En esta célula blindada, Abdelilah El Arrassi está probando las nanopartículas en experimentos electroquímicos.
© RUB, Kramer
Las nanopartículas de metales no preciosos podrían algún día reemplazar los catalizadores costosos para la producción de hidrógeno. Sin embargo, a menudo es difícil determinar qué velocidades de reacción pueden alcanzar, especialmente cuando se trata de partículas de óxido. Esto se debe a que las partículas deben adherirse al electrodo utilizando un ligante y aditivos conductores, que distorsionan los resultados. Con la ayuda de análisis electroquímicos de partículas individuales, los investigadores han logrado determinar la actividad y la conversión de sustancias de los nanocatalizadores hechos de óxido de cobalto y hierro, sin ningún aglutinante. El equipo dirigido por la profesora Kristina Tschulik de la Ruhr-Universität Bochum informa junto con colegas de la Universidad de Duisburg-Essen y de Dresde en el Journal of the American Chemical Society, publicado en línea el 30 de mayo de 2019.
"El desarrollo de catalizadores de metales no preciosos desempeña un papel decisivo en la realización de la transición energética, ya que sólo son baratos y están disponibles en cantidades suficientes para producir las cantidades necesarias de combustibles renovables", afirma Kristina Tschulik, miembro del Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). El hidrógeno, una fuente de energía prometedora, puede adquirirse dividiendo el agua en hidrógeno y oxígeno. El factor limitante hasta ahora ha sido la reacción parcial en la que se produce el oxígeno.
Mejores que las tasas de reacción logradas actualmente en la industria
La eficiencia con la que las partículas de óxido de cobalto y hierro son capaces de catalizar la generación de oxígeno fue investigada por los investigadores en el presente trabajo. Analizaron muchas partículas individuales una tras otra. Los químicos permitieron que una partícula catalizara la generación de oxígeno en la superficie del electrodo y midieron el flujo de corriente a partir de esto, lo que proporciona información sobre la velocidad de reacción. "Hemos medido densidades de corriente de varios kiloamperios por metro cuadrado", dice Tschulik. "Esto está por encima de las tasas de reacción actualmente posibles en la industria."
El equipo demostró que, para partículas menores de diez nanómetros, el flujo actual depende del tamaño de la partícula: cuanto más pequeña es la partícula del catalizador, más pequeña es la corriente. La corriente también está limitada por el oxígeno que se produce en la reacción y que se difunde lejos de la superficie de la partícula.
Extremadamente estable a pesar de la alta tensión
Después de los experimentos de catálisis, los químicos observaron las partículas del catalizador bajo el microscopio electrónico de transmisión. "A pesar de las altas tasas de reacción, es decir, a pesar de que las partículas habían creado tanto oxígeno, apenas cambiaron", resume Tschulik. "La estabilidad en condiciones extremas es excepcional."
El enfoque de análisis utilizado en el trabajo actual también puede ser transferido a otros electrocatalizadores. "Es esencial conocer mejor las actividades de los nanocatalizadores para poder desarrollar de forma eficiente catalizadores de metales no preciosos para las tecnologías de energías renovables del futuro", afirma el químico de Bochum. Para analizar el efecto del tamaño de las partículas sobre la actividad catalítica, es importante sintetizar nanopartículas de tamaño definido. Como parte de la Alianza Universitaria del Ruhr, el equipo de Bochum colabora estrechamente con investigadores de la Universidad de Duisburg-Essen, dirigidos por el profesor Stephan Schulz, que producen las partículas catalizadoras.
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