Ilustración del sustrato de nitruro de boro en 2D con imperfecciones que albergan pequeños racimos de níquel. El catalizador ayuda a la reacción química que elimina el hidrógeno de los portadores químicos líquidos, haciéndolo disponible para su uso como combustible
Ilustración del sustrato de nitruro de boro en 2D con imperfecciones que albergan pequeños racimos de níquel. El catalizador ayuda a la reacción química que elimina el hidrógeno de los portadores químicos líquidos, haciéndolo disponible para su uso como combustible. Crédito: Jeff Urban / Berkeley Lab.

El hidrógeno es una fuente sostenible de energía limpia que evita las emisiones tóxicas y puede agregar valor a múltiples sectores de la economía, incluidos el transporte, la generación de energía, la fabricación de metales, etc. Las tecnologías para almacenar y transportar hidrógeno acortan la brecha entre la producción de energía sostenible y el uso de combustible y, por lo tanto, son un componente esencial de una economía viable del hidrógeno. Pero los medios tradicionales de almacenamiento y transporte son costosos y susceptibles a la contaminación. Los investigadores están buscando técnicas alternativas que sean confiables, de bajo costo y simples. Los sistemas de suministro de hidrógeno más eficientes beneficiarían a muchas aplicaciones en las industrias de energía estacionaria, la energía portátil y los portadores móviles.

Ahora, como puede leerse en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores han diseñado y sintetizado un material eficaz para acelerar uno de los pasos limitantes en la extracción de hidrógeno de los alcoholes. El material, un catalizador, está hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclados en un sustrato 2D. El equipo dirigido por investigadores de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que el catalizador podría acelerar de manera limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un portador químico líquido. El material es robusto y está hecho de metales abundantes en la tierra en lugar de las opciones existentes hechas de metales preciosos, y ayudará a que el hidrógeno sea una fuente de energía viable para una amplia gama de aplicaciones.

Presentamos aquí no sólo un catalizador con mayor actividad que otros catalizadores de níquel que probamos para un importante combustible de energía renovable, sino también una estrategia más amplia hacia el uso de metales asequibles en una amplia gama de reacciones“, afirma Jeff Urban, director de Inorganic Nanotructures Facility en Molecular Foundry, quien se encargó de coordinar el estudio. La investigación es parte del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC), un consorcio financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno (EERE) del Departamento de Energía de EE.UU. A través de este esfuerzo, cinco laboratorios nacionales trabajan hacia el objetivo de abordar las brechas científicas que bloquean el avance de los materiales de almacenamiento de hidrógeno sólido. Los resultados de este trabajo se incorporarán directamente a la operativa de EERE para la producción, el almacenamiento, la distribución y la utilización asequibles de hidrógeno en múltiples sectores de la economía.

“La contaminación puede hacer inviables los posibles catalizadores de metales no preciosos. Nuestra plataforma aquí abre una nueva puerta para diseñar esos sistemas basados en el hidrógeno”

Los compuestos químicos que actúan como catalizadores como el desarrollado por Urban y su equipo se usan comúnmente para aumentar la velocidad de una reacción química sin que se consuma el compuesto en sí; pueden mantener una molécula en particular en una posición estable o servir como intermediario que permita que un paso importante se complete de manera confiable. Para la reacción química que produce hidrógeno a partir de portadores líquidos, los catalizadores más efectivos están hechos de metales preciosos. Sin embargo, esos catalizadores están asociados con altos costos y poca abundancia, y son susceptibles a la contaminación. Otros catalizadores menos costosos, hechos de metales más comunes, tienden a ser menos efectivos y menos estables, lo que limita su actividad y su despliegue práctico en las industrias de producción de hidrógeno.

Para mejorar el rendimiento y la estabilidad de estos catalizadores basados en metales abundantes en la tierra, Urban y sus colegas modificaron una estrategia que se centra en grupos diminutos y uniformes de níquel metálico. Los grupos pequeños son importantes porque maximizan la exposición de la superficie reactiva en una cantidad determinada de material. Pero también tienden a agruparse, lo que inhibe su reactividad.

La asistente de investigación postdoctoral Zhuolei Zhang y el científico del proyecto Ji Su, ambos coautores principales del artículo e investigadores en Molecular Foundry, diseñaron y realizaron un experimento que combatió la formación de grumos depositando racimos de níquel de 1,5 nanómetros de diámetro en un sustrato bidimensional hecho de boro y nitrógeno diseñados para albergar una red de hoyuelos a escala atómica. Los racimos de níquel se dispersaron uniformemente y se anclaron de forma segura en los hoyuelos. Este diseño no sólo evitó la formación de grumos, sino que sus propiedades térmicas y químicas mejoraron enormemente el rendimiento general del catalizador al interactuar directamente con los grumos de níquel.

Se ha descubierto que el papel de la superficie subyacente durante la etapa de formación y deposición de cúmulos es fundamental y puede proporcionar pistas para comprender su papel en otros procesos“, comenta Urban.

Las mediciones detalladas de rayos X y espectroscopía, combinadas con cálculos teóricos, revelaron mucho sobre las superficies subyacentes y su papel en la catálisis. Utilizando herramientas en Advanced Light Source, una instalación para usuarios del DOE en Berkeley Lab, y métodos de modelado computacional, los investigadores identificaron cambios en las propiedades físicas y químicas de las láminas 2D mientras se formaban y depositaban pequeños racimos de níquel sobre ellas. El equipo propuso que el material se forma mientras que los grupos de metal ocupan regiones sin utilizar de las láminas e interactúan con los bordes cercanos, preservando así el diminuto tamaño de los racimos. Los grupos diminutos y estables facilitaron la acción en los procesos a través de los cuales el hidrógeno se separa de su portador líquido, dotando al catalizador de una excelente selectividad, productividad y rendimiento estable.

Los cálculos mostraron que el tamaño del catalizador era la razón por la que su actividad estaba entre las mejores en relación con otras que se han informado recientemente. David Prendergast, director de la Instalación de Teoría de Materiales Nanoestructurados en Molecular Foundry, junto con la asistente de investigación postdoctoral y coautora principal Ana Sanz-Matías, utilizaron modelos y métodos computacionales para descubrir la estructura geométrica y electrónica única de los pequeños grupos de metales. Los átomos de metal desnudo, abundantes en estos pequeños cúmulos, atrajeron más fácilmente el portador líquido que las partículas metálicas más grandes. Estos átomos expuestos también facilitaron los pasos de la reacción química que elimina el hidrógeno del portador, al tiempo que evita la formación de contaminantes que pueden obstruir la superficie del grupo. Por lo tanto, el material permaneció libre de contaminación durante los pasos clave en la reacción de producción de hidrógeno. Estas propiedades catalíticas y anticontaminación surgieron de las imperfecciones que se habían introducido deliberadamente en las láminas 2D y, en última instancia, ayudaron a mantener pequeño el tamaño del grupo.

La contaminación puede hacer inviables los posibles catalizadores de metales no preciosos. Nuestra plataforma aquí abre una nueva puerta para diseñar esos sistemas“, asegura Urban.

En su catalizador, los investigadores lograron el objetivo de crear un material estable, relativamente económico y fácilmente disponible que ayuda a eliminar el hidrógeno de los portadores líquidos para su uso como combustible. Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE para desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con los objetivos de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE y optimizar los materiales para su uso futuro en portadores.

El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab perfeccionará aún más la estrategia de modificar los sustratos 2D de manera que admitan pequeños grupos de metales, para desarrollar catalizadores aún más eficientes. La técnica podría ayudar a optimizar el proceso de extracción de hidrógeno de portadores químicos líquidos.

Fuente: PNAS.

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