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Nuevo catalizador, altamente estable, puede ayudar a convertir el agua en biocombustible

Universidad de Illinois
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El investigador postdoctoral Jaemin Kim, a la izquierda, profesor de ingeniería química y biomolecular Hong Yang y estudiante graduado Pei-Chieh (Jack) Shih, es parte de un equipo que desarrolló el nuevo material que ayuda a dividir las moléculas de agua para la producción de combustible de hidrógeno.

Romper los enlaces entre el oxígeno y el hidrógeno en el agua podría ser una clave para la creación de hidrógeno de manera sustentable, pero encontrar una técnica económicamente viable para esto ha resultado difícil.

Recientemente investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, informan sobre un nuevo catalizador generador de hidrógeno que elimina muchos de los obstáculos: abundancia, estabilidad en condiciones ácidas y eficiencia.

En la revista Angewandte Chemie, los investigadores reportaron un material electrocatalítico hecho de mezclar compuestos metálicos con una sustancia llamada ácido perclórico.

Los electrolizadores usan electricidad para descomponer las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. El más eficiente de estos dispositivos utiliza ácidos corrosivos y materiales de electrodos hechos de los compuestos metálicos: óxido de iridio u óxido de rutenio. El óxido de iridio es el más estable de los dos, pero el iridio es uno de los elementos menos abundantes en la Tierra, por lo que los investigadores están buscando un material alternativo.

“Trabajos anteriores se realizaron con electrolizadores hechos de solo dos elementos -metal y oxígeno-“, dijo Hong Yang, coautor y profesor de ingeniería química y biomolecular en Illinois. “En un estudio reciente, encontramos que si un compuesto tiene dos elementos metálicos, el itrio y el rutenio, y el oxígeno, la tasa de reacción de división del agua, aumentó”.

Yao Qin, coautor y antiguo miembro del grupo de Yang, primero experimentó con el procedimiento para fabricar este nuevo material utilizando diferentes ácidos y temperaturas de calentamiento para aumentar la velocidad de la reacción de división del agua.

Los investigadores encontraron que cuando usaban ácido perclórico como catalizador y dejaban que la mezcla reaccionara bajo calor, la naturaleza física del producto de ruteno de itrio cambió.

“El material se volvió más poroso y también tenía una nueva estructura cristalina, diferente de todos los catalizadores sólidos que hicimos antes”, dijo Jaemin Kim, el autor principal e investigador postdoctoral. El nuevo material poroso que desarrolló el equipo, un óxido de pirocloro de ruteno de itrio, puede dividir las moléculas de agua a un ritmo mayor que el estándar actual de la industria.

“Debido a la mayor actividad que promueve, una estructura porosa es altamente deseable cuando se trata de electrocatalizadores”, dijo Yang. “Estos poros se pueden producir sintéticamente con plantillas y sustancias de tamaño nanométrico para hacer cerámicas; sin embargo, estos no pueden resistir las condiciones de alta temperatura necesarias para hacer catalizadores sólidos de alta calidad”.

Yang y su equipo observaron la estructura de su nuevo material con un microscopio electrónico y descubrieron que es cuatro veces más poroso que el ruteno de itrio original que desarrollaron en un estudio anterior, y tres veces más que los óxidos de iridio y rutenio utilizados comercialmente.

“Fue sorprendente encontrar que el ácido que elegimos como catalizador para esta reacción resultó mejorar la estructura del material utilizado para los electrodos”, dijo Yang. “Esta realización fue fortuita y bastante valiosa para nosotros”.

Los siguientes pasos para el grupo son fabricar un dispositivo a escala de laboratorio para realizar más pruebas y continuar mejorando la estabilidad del electrodo poroso en ambientes ácidos, dijo Yang.

“La estabilidad de los electrodos en el ácido siempre será un problema, pero creemos que hemos encontrado algo nuevo y diferente en comparación con otros trabajos en esta área”, dijo Yang. “Este tipo de investigación será bastante impactante con respecto a la generación de hidrógeno para energía sustentable en el futuro”.

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