Desafíos en el desarrollo de electrocatalizadores
¿Qué tendría que cambiar en la investigación para desarrollar catalizadores eficientes, estables y selectivos para su aplicación industrial?
Los catalizadores eficientes son cruciales para la conversión de energía. Sin embargo, los resultados de la investigación básica rara vez se ponen en práctica en la actualidad.
Aunque se ha estado investigando intensamente sobre los catalizadores durante 20 años, los progresos sólo se están haciendo en pequeños pasos.
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La cosecha de energía regenerativa a menudo genera más electricidad de la que se necesita directamente. Los procesos electroquímicos podrían usarse para almacenar el exceso de energía o hacerla utilizable. Aunque la investigación intensiva sobre los catalizadores necesarios para esto ha estado en marcha durante 20 años, el progreso sólo se está haciendo en pequeños pasos. Lo que tendría que cambiar en la investigación para desarrollar catalizadores eficientes, estables y selectivos para su aplicación industrial es descrito por el Dr. Justus Masa del Instituto Max Planck para la Conversión Química de la Energía, la Profesora Corina Andronescu de la Universidad de Duisburg-Essen y el Profesor Wolfgang Schuhmann de la Ruhr-Universität Bochum en un artículo de revisión. Se publicó en línea en la revista "Angewandte Chemie" el 30 de junio de 2020.
Reacciones químicas para la conversión de energía
Tres reacciones químicas serían particularmente adecuadas para la conversión de energía: la electrólisis del agua en hidrógeno y oxígeno, que puede utilizarse más tarde para generar energía eléctrica en las pilas de combustible; la conversión de nitrógeno en amoníaco, un importante material de partida para la industria química; y la conversión electroquímica de CO2 en otros materiales de partida para la industria, como el etileno.
Actividad, selectividad y estabilidad de los catalizadores
En su artículo de revisión, los autores describen que la investigación sobre nuevos catalizadores debe tener siempre presentes tres factores: actividad, selectividad y estabilidad. La actividad describe cuán poderoso es un catalizador en una entrada de energía dada. La selectividad se define como la capacidad de producir la sustancia deseada sin contaminar los subproductos. La estabilidad indica cuán eficiente es un catalizador a largo plazo.
"Muchas publicaciones afirman una alta actividad, estabilidad y selectividad de los electrocatalizadores para importantes reacciones de conversión de energía, pero faltan pruebas", dice Wolfgang Schuhmann, jefe del Centro de Electroquímica y miembro del Grupo de Excelencia en Solvicultura del Ruhr, Resolv.
La brecha entre la investigación básica y la aplicación
Masa, Andronescu y Schuhmann critican, entre otras cosas, que a menudo no se da suficiente importancia a la estabilidad de los catalizadores. "La subestimación de la estabilidad de los catalizadores es en gran medida responsable de la enorme brecha entre los avances aparentemente apasionantes en el diseño de catalizadores activos y la aplicación práctica de dichos catalizadores en aplicaciones técnicas", escriben.
El equipo identifica cinco factores que obstaculizan el paso de la investigación a la práctica:
- El rendimiento y las propiedades de los materiales de los catalizadores en las condiciones pertinentes para la aplicación difieren de las que se dan en las condiciones de laboratorio.
- No hay directrices definidas para evaluar y comparar el rendimiento de los catalizadores.
- A menudo se utilizan métodos de caracterización inadecuados para determinar el rendimiento de las reacciones electrocatalíticas.
- Se sabe muy poco sobre los centros activos de los catalizadores y su estabilidad a largo plazo. Por ejemplo, se descuidan las influencias de las moléculas e iones de los disolventes circundantes en la función.
- Para determinar la actividad de un catalizador, debe conocerse su superficie real. A menudo se utilizan conjuntos de nanopartículas como catalizadores para los que los métodos convencionales de determinación de la superficie no son adecuados.
En su artículo, Justus Masa, Corina Andronescu y Wolfgang Schuhmann utilizan los resultados experimentales para demostrar lo importante que es pensar siempre en la estabilidad de los catalizadores de forma integrada con su actividad. Proponen varios métodos para medir la actividad de forma fiable y se refieren a la nanoelectroquímica. Si se utilizan conjuntos de nanopartículas como catalizadores, se deben caracterizar las nanopartículas individuales, no los conjuntos de partículas, ya que de lo contrario se producirían interferencias. Por último, los autores piden un cambio de paradigma en el diseño de catalizadores. Enumeran enfoques prometedores que podrían producir los productos deseados de manera muy selectiva.
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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