Con un nuevo conjunto de herramientas, los científicos descubrieron exactamente cómo las pequeñas partículas de catalizador en forma de placa llevan a cabo un paso clave en esa conversión, la evolución del oxígeno en una celda electrocatalítica, con un detalle sin precedentes.

POR GLENNDA CHUI

(Stanford)La transición de los combustibles fósiles a una economía de hidrógeno limpio requerirá formas más baratas y eficientes de utilizar fuentes renovables de electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. 

Pero un paso clave en ese proceso, conocido como reacción de evolución de oxígeno o REA, ha demostrado ser un cuello de botella. Hoy en día tiene una eficiencia de solo un 75%, y los catalizadores de metales preciosos que se utilizan para acelerar la reacción, como el platino y el iridio, son raros y caros.

Ahora, un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía ha desarrollado un conjunto de herramientas avanzadas para superar este cuello de botella y mejorar otros procesos relacionados con la energía, como encontrar formas de hacer que las baterías de iones de litio se carguen. más rápido. El equipo de investigación describió su trabajo en Nature hoy.

Trabajando en Stanford, SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE y la Universidad de Warwick en el Reino Unido, pudieron hacer zoom en nanopartículas catalizadoras individuales, con forma de placas diminutas y unas 200 veces más pequeñas que un glóbulo rojo, y observar Aceleran la generación de oxígeno dentro de celdas electroquímicas hechas a medida, incluida una que cabe dentro de una gota de agua.  

Descubrieron que la mayor parte de la actividad catalítica tenía lugar en los bordes de las partículas, y pudieron observar las interacciones químicas entre la partícula y el electrolito circundante a una escala de mil millonésimas de metro a medida que aumentaban el voltaje para impulsar la reacción. .

Al combinar sus observaciones con el trabajo computacional previo realizado en colaboración con el Instituto SUNCAT de Ciencia de Interfaces y Catálisis en SLAC y Stanford, pudieron identificar un solo paso en la reacción que limita la rapidez con la que puede avanzar.

«Este conjunto de métodos puede decirnos dónde, qué y por qué de cómo funcionan estos materiales electrocatalíticos en condiciones de funcionamiento realistas», dijo Tyler Mefford, científico del personal de Stanford y el Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) en SLAC, quien dirigió la investigación. «Ahora que hemos descrito cómo utilizar esta plataforma, las aplicaciones son extremadamente amplias».

Escalando hacia una economía de hidrógeno

La idea de usar electricidad para descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno se remonta a 1800, cuando dos investigadores británicos descubrieron que podían usar la corriente eléctrica generada por la batería de pila recién inventada de Alessandro Volta para alimentar la reacción.

Este proceso, llamado electrólisis, funciona de manera muy similar a una batería a la inversa: en lugar de generar electricidad, utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Las reacciones que generan hidrógeno y oxígeno gaseoso tienen lugar en diferentes electrodos utilizando diferentes catalizadores de metales preciosos. 

El hidrógeno gaseoso es una materia prima química importante para la producción de amoníaco y el refinado de acero, y cada vez se utiliza más como combustible limpio para el transporte de alta resistencia y el almacenamiento de energía a largo plazo. Pero más del 95% del hidrógeno producido hoy proviene del gas natural a través de reacciones que emiten dióxido de carbono como subproducto. La generación de hidrógeno a través de la electrólisis del agua impulsada por electricidad de la energía solar, eólica y otras fuentes sostenibles reduciría significativamente las emisiones de carbono en varias industrias importantes.

Pero para producir combustible de hidrógeno a partir del agua en una escala lo suficientemente grande como para impulsar una economía verde, los científicos tendrán que hacer que la otra mitad de la reacción de división del agua, la que genera oxígeno, sea mucho más eficiente y encontrar formas de hacer que funcione. con catalizadores basados ​​en metales mucho más baratos y abundantes que los que se utilizan en la actualidad.  

«No hay suficientes metales preciosos en el mundo para impulsar esta reacción a la escala que necesitamos», dijo Mefford, «y su costo es tan alto que el hidrógeno que generan nunca podría competir con el hidrógeno derivado de combustibles fósiles».

Mejorar el proceso requerirá una comprensión mucho mejor de cómo operan los catalizadores de división de agua, con suficiente detalle como para que los científicos puedan predecir qué se puede hacer para mejorarlos. Hasta ahora, muchas de las mejores técnicas para realizar estas observaciones no funcionaban en el entorno líquido de un reactor electrocatalítico.

En este estudio, los científicos encontraron varias formas de sortear esas limitaciones y obtener una imagen más nítida que nunca.

Nuevas formas de espiar catalizadores

El catalizador que eligieron investigar fue el oxihidróxido de cobalto, que se presentó en forma de cristales planos de seis lados llamados nanoplaquetas. Los bordes eran afilados y extremadamente delgados, por lo que sería fácil distinguir si se estaba produciendo una reacción en los bordes o en la superficie plana.

Hace aproximadamente una década, el grupo de investigación de Patrick Unwin en la Universidad de Warwick había inventado una técnica novedosa para colocar una celda electroquímica en miniatura dentro de una gota a nanoescala que sobresale de la punta de un tubo de pipeta. Cuando la gota se pone en contacto con una superficie, el dispositivo obtiene imágenes de la topografía de la superficie y de las corrientes iónicas y electrónicas con una resolución muy alta.

Para este estudio, el equipo de Unwin adaptó este pequeño dispositivo para que funcione en el entorno químico de la reacción de evolución del oxígeno. Los investigadores postdoctorales Minkyung Kang y Cameron Bentley lo movieron de un lugar a otro a través de la superficie de una sola partícula de catalizador mientras se producía la reacción.

“Nuestra técnica nos permite acercarnos para estudiar regiones extremadamente pequeñas de reactividad”, dijo Kang, quien dirigió los experimentos allí. «Estamos analizando la generación de oxígeno a una escala cien millones de veces más pequeña que las técnicas típicas».

Descubrieron que, como suele ser el caso de los materiales catalíticos, solo los bordes estaban promoviendo activamente la reacción, lo que sugiere que los catalizadores futuros deberían maximizar este tipo de característica fina y nítida.

Mientras tanto, el investigador de Stanford y SIMES Andrew Akbashev utilizó microscopía de fuerza atómica electroquímica para determinar y visualizar exactamente cómo el catalizador cambiaba de forma y tamaño durante la operación, y descubrió que las reacciones que inicialmente cambiaron el catalizador a su estado activo eran muy diferentes de lo que se suponía anteriormente . En lugar de que los protones abandonen el catalizador para iniciar la activación, los iones de hidróxido se insertaron primero en el catalizador, formando agua dentro de la partícula que hizo que se hinchara. A medida que avanzaba el proceso de activación, esta agua y los protones residuales fueron expulsados.

En una tercera serie de experimentos, el equipo trabajó con David Shapiro y Young-Sang Yu en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab y con una empresa de Washington, Hummingbird Scientific, para desarrollar una celda de flujo electroquímica que podría integrarse en una radiografía de transmisión de escaneo microscopio. Esto les permitió trazar el estado de oxidación del catalizador de trabajo, un estado químico que está asociado con la actividad catalítica, en áreas tan pequeñas como unos 50 nanómetros de diámetro.

«Ahora podemos comenzar a aplicar las técnicas que desarrollamos en este trabajo a otros materiales y procesos electroquímicos», dijo Mefford. «También nos gustaría estudiar otras reacciones relacionadas con la energía, como la carga rápida en los electrodos de la batería, la reducción del dióxido de carbono para la captura de carbono y la reducción del oxígeno, lo que nos permite utilizar hidrógeno en las pilas de combustible».

La fuente de luz avanzada es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y la mayor parte de los fondos para esta investigación provino de la Oficina de Ciencias del DOE, incluidos los premios de Investigación de Innovación de Pequeñas Empresas para Hummingbird Scientific. Partes de la investigación se realizaron en las instalaciones de nanofabricación de Stanford.

Cita: J. Tyler Mefford et al., Nature , 6 de mayo de 2021 ( 10.1038 / s41586-021-03454-x )