Cómo las burbujas finas conducen a catalizadores más eficientes
Un efecto recién descubierto aumenta la productividad de los procesos de transporte de hidrógeno ecológico
Los catalizadores son de suma importancia para la producción de productos químicos y el almacenamiento de energía con hidrógeno. Investigadores del Instituto Helmholtz de Erlangen-Nürnberg para Energías Renovables (HI ERN) y de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (FAU) han descubierto ahora que la formación de burbujas en los poros de un catalizador puede ser esencial para su actividad. Sus descubrimientos ayudan a optimizar los materiales de los catalizadores para las reacciones en las que se forman gases a partir de líquidos, y que desempeñan un papel fundamental en una futura economía verde del hidrógeno.
Pellets catalizadores para la liberación de hidrógeno
HI ERN / Thomas Solymosi
Los catalizadores aceleran las reacciones químicas sin consumirse por sí mismos. Un gran número de reacciones en la naturaleza y la industria sólo funcionan gracias a su ayuda. Por ejemplo, los catalizadores se utilizan en alrededor del 80 por ciento de todos los procesos de producción química y también desempeñan un papel importante en las tecnologías para el almacenamiento químico del hidrógeno.
En la mayoría de los casos, se trata de los llamados catalizadores heterogéneos, que se encuentran en un estado de agregación diferente al de los propios compañeros de reacción. Los catalizadores sólidos y porosos son especialmente importantes en este caso, ya que pueden separarse muy bien de los productos de reacción líquidos o gaseosos.
Los investigadores de HI ERN y FAU han descubierto ahora: La productividad de este tipo de catalizadores para las reacciones de generación de gas puede aumentar notablemente si se forman burbujas de gas con especial facilidad en los poros del catalizador.
"Este factor adicional, que determina significativamente la velocidad de reacción, era desconocido hasta ahora. Hasta ahora se suponía que la velocidad de reacción estaba determinada únicamente por la reacción química superficial o por el transporte de moléculas a los centros activos del catalizador", explica el Prof. Dr. Peter Wasserscheid, director del Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg, una rama del Centro de Investigación Jülich, y jefe de la Cátedra de Ingeniería de Reacciones Químicas de la FAU.
Aumentar la productividad en un 50 por ciento
El descubrimiento se realizó mediante una reacción que podría desempeñar un papel clave en el transporte de hidrógeno ecológico en el futuro. Para ello, el hidrógeno se almacena y transporta ligado a un medio portador líquido -en este caso LOHC ("liquid organic hydrogen carrier")- y posteriormente se libera de él.
Esta tecnología se considera extremadamente segura y fácil de manejar. Cuanto más rápido se pueda liberar el hidrógeno del medio portador con la ayuda de un catalizador, más compacta y potente podrá ser esa tecnología.
Los investigadores de HI ERN y FAU pudieron demostrar que se libera 50 veces más hidrógeno del medio portador por unidad de tiempo en las mismas condiciones cuando se induce la formación de burbujas de gas en los poros del catalizador en el proceso.
La razón de esta enorme diferencia: "Normalmente, el sistema sólo produce hidrógeno disuelto durante la liberación catalítica de hidrógeno. Entonces, la saturación se produce rápidamente en la fase líquida alrededor de los centros activos del catalizador", explica Peter Wasserscheid.
En cambio, las burbujas de los poros del catalizador actúan como pequeñas bombas. Ayudan a eliminar el hidrógeno liberado. "Una vez que se ha formado una burbuja en un poro del catalizador, la burbuja creciente recoge el hidrógeno formado. Cuando la burbuja se desprende en el líquido circundante, el portador de hidrógeno cargado vuelve a fluir hacia el poro y el proceso vuelve a empezar", explica el principio Peter Wasserscheid.
La formación de burbujas, conocida como nucleación, también puede inducirse artificialmente, por ejemplo modificando químicamente la superficie del catalizador o mediante un estímulo mecánico. Los hallazgos arrojan nueva luz sobre los factores que limitan el rendimiento en la catálisis heterogénea, que son de gran relevancia especialmente para la economía verde del hidrógeno del futuro.
Los resultados se obtuvieron en colaboración entre los equipos de los profesores Jens Harting, Matthias Thommes, Nicolas Vogel y Peter Wasserscheid en el Programa de Investigación Colaborativa 1452 de la DFG "Catálisis en interfaces líquidas" y acaban de publicarse en la revista Science Advances.
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.
Publicación original
Thomas Solymosi, Michael Geißelbrecht, Sophie Mayer, Michael Auer, Peter Leicht, Markus Terlinden, Paolo Malgaretti, Andreas Bösmann, Patrick Preuster, Jens Harting, Matthias Thommes, Nicolas Vogel, Peter Wasserscheid; Nucleation as a rate-determining step in catalytic gas generation reactions from liquid phase systems; Science Advances (16 November 2022)
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