Los científicos de la Universidad de Oregón disocian el agua de manera eficiente con nuevos catalizadores
Utilizando un nuevo enfoque, fueron capaces de estudiar y mejorar la reacción de disociación del agua que desgarra las moléculas de agua en los reactores electroquímicos de membrana.
Los químicos de la Universidad de Oregón han logrado avances sustanciales en la mejora de la reacción de disociación catalítica del agua en los reactores electroquímicos, llamados electrolizadores de membrana bipolar, para separar más eficientemente las moléculas de agua en protones con carga positiva e iones de hidróxido con carga negativa.
Las investigaciones realizadas en un laboratorio de química de la Universidad de Oregón han hecho avanzar la eficacia de la reacción de disociación catalítica del agua en las membranas bipolares. Un equipo de tres miembros utilizó un conjunto de membrana y electrodo donde la membrana bipolar de polímero se comprime entre dos electrodos porosos rígidos, permitiéndoles hacer un gran número de membranas bipolares con diferentes capas de catalizador de disociación de agua.
Graphic by Sebastian Z. Oener
El descubrimiento, publicado en Science, proporciona una hoja de ruta para realizar dispositivos electroquímicos que se benefician de la propiedad clave de la operación de las membranas bipolares: generar los protones e iones de hidróxido dentro del dispositivo y suministrar los iones directamente a los electrodos para producir los productos químicos finales.
La tecnología detrás de las membranas bipolares, que son polímeros de intercambio iónico en capas que forman una capa de catalizador de disociación de agua, surgió en la década de 1950. Aunque se han aplicado industrialmente a pequeña escala, su rendimiento se limita actualmente a un funcionamiento de baja densidad de corriente, lo que dificulta aplicaciones más amplias.
Entre ellos hay dispositivos para producir gas de hidrógeno a partir de agua y electricidad, capturar dióxido de carbono del agua de mar y hacer combustibles a base de carbono directamente a partir de dióxido de carbono, dijo la coautora Shannon W. Boettcher, profesora del Departamento de Química y Bioquímica de la UO y directora fundadora del Centro de Electroquímica de Oregón,
"Sospecho que nuestros hallazgos acelerarán un resurgimiento en el desarrollo de dispositivos de membrana bipolar y la investigación de los fundamentos de la reacción de disociación del agua", dijo Boettcher, quien también es miembro del Instituto de Ciencia de Materiales y asociado en el Campus Phil y Penny Knight de la UO para Acelerar el Impacto Científico.
"El rendimiento que demostramos es suficientemente alto", dijo. "Si podemos mejorar la durabilidad y fabricar las membranas bipolares con nuestros socios de la industria, debería haber importantes aplicaciones inmediatas".
Típicamente, los dispositivos electroquímicos basados en agua tales como baterías, celdas de combustible y electrolizadores operan a un solo pH a través de todo el sistema -- esto es, el sistema es o bien ácido o bien básico, dijo el autor principal del estudio Sebastian Z. Oener, un becario postdoctoral apoyado por una beca de la Fundación Alemana de Investigación en el laboratorio de Boettcher.
"A menudo, esto lleva o bien a utilizar metales preciosos caros para catalizar las reacciones de los electrodos, como el iridio, uno de los metales más raros de la tierra, o bien a sacrificar la actividad del catalizador, lo que, a su vez, aumenta la entrada de energía necesaria del reactor electroquímico", dijo Oener. "Una membrana bipolar puede superar este compromiso operando cada electrocatalizador localmente en su entorno de pH ideal. Esto aumenta el aliento de disponibilidad de catalizadores estables y abundantes en la tierra para cada media reacción".
El equipo de tres miembros, que también incluía al estudiante de postgrado Marc J. Foster, usó un ensamblaje de membrana y electrodo donde la membrana bipolar de polímero se comprime entre dos electrodos porosos rígidos. Este enfoque les permitió hacer un gran número de membranas bipolares con diferentes capas de catalizador de disociación de agua y medir con precisión la actividad de cada una.
El equipo encontró que la posición exacta de cada capa de catalizador dentro de la unión de la membrana bipolar - la interfaz entre una capa conductora de hidróxido y la capa conductora de protones en la membrana bipolar - afecta dramáticamente la actividad del catalizador. Esto les permitió utilizar las bicapas del catalizador para realizar membranas bipolares de rendimiento récord que esencialmente disocian el agua con una pérdida insignificante de energía extra.
"La mayor sorpresa fue darse cuenta de que el rendimiento podía mejorarse sustancialmente si se superponían diferentes tipos de catalizadores", dijo Boettcher. "Esto es simple pero no había sido explorado completamente".
Un segundo hallazgo clave, dijo Oener, es que la reacción de disociación del agua que se produce dentro de la membrana bipolar está fundamentalmente relacionada con la que se produce en las superficies de los electrocatalizadores, como cuando se extraen protones directamente de las moléculas de agua al fabricar combustible de hidrógeno en condiciones básicas de pH.
"Esto es único porque no ha sido posible antes separar los pasos individuales que ocurren durante una reacción electroquímica", dijo Oener. "Todos están vinculados, involucrando electrones e intermediarios, y proceden rápidamente en serie. La arquitectura de la membrana bipolar nos permite aislar el paso químico de disociación del agua y estudiarlo de forma aislada".
Ese hallazgo, dijo, también podría conducir a la mejora de los electrocatalizadores para las reacciones que hacen directamente combustibles reducidos a partir del agua, como la fabricación de gas hidrógeno o combustible líquido a partir de residuos de dióxido de carbono.
Los descubrimientos, dijo Boettcher, proporcionan un modelo mecanicista provisional, que podría abrir el campo y motivar muchos más estudios.
"Estamos entusiasmados por ver la respuesta de la comunidad investigadora y ver si estos hallazgos pueden traducirse en productos que reduzcan la dependencia de la sociedad de los combustibles fósiles", dijo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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