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Nuevo catalizador económico acelera la producción de oxígeno del agua

Leyenda: La ilustración muestra una reacción electroquímica, que divide las moléculas de agua (izquierda, con un átomo de oxígeno en rojo, dos átomos de hidrógeno en blanco) en moléculas de oxígeno (derecha), que ocurre dentro de la estructura orgánica de hidróxido de metal del equipo, que se muestra como abrazaderas en la parte superior e inferior. Crédito: MIT

La reacción electroquímica que separa las moléculas de agua entre sí para producir oxígeno está en el corazón de los muchos enfoques destinados a producir combustibles alternativos para el transporte. Pero esta reacción debe ser facilitada por un catalizador, y las versiones actuales requieren el uso de elementos raros y costosos como el iridio, lo que limita el potencial para producir dicho combustible.


Ahora, los investigadores del MIT y otros lugares han desarrollado un tipo de catalizador completamente nuevo, llamado marco orgánico de hidróxido de metal (MHOF), que está hecho con ingredientes económicos y abundantes. La familia de materiales permite a los ingenieros configurar archivos CatalizadorSu estructura y composición satisfacen las necesidades de un proceso químico particular, y el rendimiento de los catalizadores convencionales más caros puede igualarse o superarse.

Los resultados fueron descritos hoy en la revista materiales de la naturalezaen un artículo del posdoctorado del MIT Shuai Yuan, el estudiante graduado Jiayu Ping, el profesor Yang Shao Horn, el profesor Yuri Roman Lichkov y otros nueve.

Las reacciones de evolución de oxígeno son una de las reacciones comunes en la producción electroquímica de combustibles, productos químicos y materiales. Estos procesos incluyen la generación de hidrógeno como subproducto de la evolución del oxígeno, que puede ser utilizado directamente como combustible o sujeto a él. interacción química para la producción de otros combustibles para el transporte; fabricación de amoniaco para su uso como fertilizante o como materia prima química; y reducir el dióxido de carbono para controlar las emisiones.

Sin ayuda, dice Shao Horn, «estos reflejos son lentos». «Para reaccionar con una cinética lenta, debes sacrificar esfuerzo o energía para aumentar la velocidad de la reacción». Debido a la entrada de energía adicional requerida, «la eficiencia general es baja. Es por eso que la gente usa catalizadores», dice, ya que estas sustancias mejoran naturalmente las reacciones al reducir la entrada de energía.

Pero hasta ahora, estos catalizadores «están todos basados ​​en materiales costosos o metales de transición tardía muy raros, por ejemplo, óxido de iridio, y ha habido un esfuerzo significativo en la comunidad para encontrar alternativas basadas en materiales abundantes en la tierra que tengan el mismo rendimiento en términos de actividad y estabilidad» Roman Lychkov dice: El equipo dice que han encontrado materiales que proporcionan exactamente ese conjunto de propiedades.

Otros equipos han explorado el uso de hidróxidos metálicos, como los hidróxidos de hierro y níquel, dice Roman Lichkov. Pero ha sido difícil adaptar estos materiales a los requisitos de aplicaciones específicas. Ahora, sin embargo, «la razón por la que nuestro trabajo es tan emocionante y relevante es que hemos encontrado una manera de adaptar las propiedades mediante la nanoestructuración de hidróxidos metálicos de una manera única».

El equipo tomó prestado de la investigación sobre una clase relacionada de compuestos conocidos como MOF (MOF), que son un tipo de estructura cristalina compuesta de nodos de óxido de metal unidos por moléculas enlazadoras orgánicas. El equipo descubrió que al reemplazar el óxido metálico en tales materiales con hidróxidos metálicos específicos, se hizo posible crear materiales sintonizables con precisión que también tienen la estabilidad necesaria para ser útiles como catalizadores.

«Al poner estas cadenas de estos enlaces orgánicos una al lado de la otra, en realidad dirigen la formación de láminas de hidróxido de metal interconectadas con estos enlaces orgánicos, que luego se apilan y tienen una mayor estabilidad», dice Roman Lichkov. Él dice que esto tiene múltiples beneficios al permitir control preciso en el patrón nanoestructurado, lo que permite un control preciso de las propiedades electrónicas de metalademás de proporcionarles una mayor estabilidad, permitiéndoles permanecer en pie durante largos periodos de uso.

Shao Horn dice que al probar dichos materiales, los investigadores encontraron que el rendimiento de los estímulos fue «sorprendente». «Es comparable a los materiales de óxido modernos que catalizan la reacción de evolución del oxígeno».

Debido a que estos materiales están compuestos en gran parte de níquel y hierro, deberían ser al menos 100 veces más baratos que los catalizadores actuales, dicen, aunque el equipo aún tiene que hacer un análisis económico completo.

Esta familia de materiales «realmente brinda un nuevo espacio para sintonizar los sitios activos para catalizar la división del agua para producir hidrógeno con una entrada de energía reducida», dice Shao Horn, para satisfacer las necesidades exactas de cualquier proceso químico en el que se requieran estos catalizadores.

Bing dice que los materiales podrían proporcionar «una capacidad de ajuste cinco veces mayor» que los catalizadores a base de níquel, simplemente sustituyendo el níquel por diferentes metales en el compuesto. «Esto proporciona potencialmente muchas vías relevantes para futuros descubrimientos». El material también se puede producir en láminas muy delgadas, que luego se pueden recubrir con otro material, lo que reduce aún más los costos de material para estos sistemas.

Hasta ahora, los materiales se han probado en dispositivos de prueba de laboratorio a pequeña escala, y el equipo ahora está trabajando para abordar los problemas de tratar de escalar el proceso a escalas comerciales relevantes, lo que aún podría llevar algunos años. Pero la idea tiene un gran potencial, dice Shao Horn, para ayudar a estimular la producción de combustible de hidrógeno limpio y sin emisiones, de modo que «podemos reducir el costo del hidrógeno de este proceso sin estar limitados por la disponibilidad de metales preciosos. Esto es importante , porque necesitamos tecnologías de producción de hidrógeno que puedan ampliar su alcance”.


Investigadores desarrollan catalizadores avanzados para la producción limpia de hidrógeno


más información:
Shuai Yuan et al., Marcos orgánicos de hidróxido de metal ajustables para estimular la evolución del oxígeno, materiales de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038 / s41563-022-01199-0

Esta historia se ha vuelto a publicar con permiso de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias relacionadas con la investigación, la innovación y la enseñanza en el MIT.

La frase: Nuevo catalizador económico acelera la producción de oxígeno del agua (25 de febrero de 2022) Obtenido el 25 de febrero de 2022 de https://phys.org/news/2022-02-inexpensive-catalyst-production-oxygen.html

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