Haciendo que las superficies catalíticas sean más activas para ayudar a descarbonizar combustibles y químicos.

Haciendo que las superficies catalíticas sean más activas para ayudar a descarbonizar combustibles y químicos.

septiembre 8, 2021 0 Por RenzoC

Las reacciones electroquímicas que se aceleran mediante el uso de catalizadores están en el centro de muchos procesos para la producción y el uso de combustibles, productos químicos y materiales, incluido el almacenamiento de electricidad de fuentes de energía renovables en enlaces químicos, una capacidad importante para la descarbonización de los combustibles de transporte. Ahora, la investigación en el MIT podría abrir la puerta a formas de hacer que ciertos catalizadores sean más activos y así mejorar la eficiencia de esos procesos.

Un nuevo proceso de fabricación produjo catalizadores que aumentaron cinco veces la eficiencia de las reacciones químicas, permitiendo potencialmente nuevos procesos útiles en bioquímica, química orgánica, química ambiental y electroquímica. Los hallazgos se describen hoy en la revista Nature Catalysis, en un artículo de Yang Shao-Horn, profesor de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en el MIT y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE); Tao Wang, postdoctorado en RLE; Yirui Zhang, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica; y otros cinco.

El proceso implica agregar una capa de lo que se llama un líquido iónico entre un catalizador de oro o platino y una materia prima química. Los catalizadores producidos por este método podrían potencialmente permitir una conversión mucho más eficiente de combustible en hidrógeno para alimentar dispositivos como celdas de combustible o una conversión más eficiente de dióxido de carbono en combustibles.

“Existe una necesidad urgente de descarbonizar la forma en que impulsamos el transporte más allá de los vehículos ligeros, cómo fabricamos combustibles y cómo fabricamos materiales y productos químicos”, dice Shao-Horn, subrayando el llamamiento urgente para reducir las emisiones de carbono, destacado en el último informe del IPCC sobre cambio climático. Este nuevo enfoque para mejorar la actividad catalítica podría proporcionar un paso importante en esa dirección, dice.

El uso de hidrógeno en dispositivos electroquímicos como las pilas de combustible es un enfoque prometedor para la descarbonización de campos como la aviación y los vehículos pesados, y el nuevo proceso puede ayudar a que dichos usos sean prácticos. Actualmente, la reacción de reducción de oxígeno que impulsa a estas pilas de combustible está limitada por su ineficacia. Los intentos anteriores de mejorar esta eficiencia se han centrado en elegir diferentes materiales catalíticos o modificar su composición y estructura superficial.

En esta investigación, sin embargo, en lugar de modificar las superficies sólidas, el equipo agregó una capa delgada entre el catalizador y el electrolito, el material activo que participa en la reacción química. Descubrieron que la capa de líquido iónico regula la actividad de los protones que ayudan a aumentar la velocidad de las reacciones químicas que ocurren en la interfaz.

Como hay una gran variedad de estos líquidos iónicos para elegir, es posible “ajustar” la actividad de los protones y las velocidades de reacción para que coincidan con la energía requerida para los procesos que involucran la transferencia de protones, que se pueden usar para producir combustibles y productos químicos a través de reacciones. con oxigeno.

“La actividad de los protones y la barrera de transferencia de protones se rigen por la capa de líquido iónico, por lo que hay una gran capacidad de sintonización en términos de actividad catalítica para las reacciones que implican la transferencia de protones y electrones”, dice Shao-Horn. Y el efecto lo produce una capa de líquido evanescente, de unos nanómetros de espesor, por encima de la cual hay una capa mucho más gruesa del líquido que debe sufrir la reacción.

“Creo que este concepto es nuevo e importante”, dice Wang, el primer autor del artículo, “porque la gente sabe que la actividad de los protones es importante en muchas reacciones electroquímicas, pero es muy difícil de estudiar”. Esto se debe a que en un medio acuático hay tantas interacciones entre las moléculas de agua cercanas que es muy difícil distinguir qué reacciones se están produciendo. Usando un líquido iónico, cuyos iones pueden formar cada uno solo un enlace con el material intermedio, fue posible estudiar las reacciones en detalle, usando espectroscopía infrarroja.

En consecuencia, dice Wang, “Nuestro descubrimiento destaca el papel fundamental que los electrolitos interfaciales, en particular el enlace de hidrógeno intermolecular, pueden desempeñar en la mejora de la actividad del proceso electrocatalítico. También proporciona información fundamental sobre los mecanismos de transferencia de protones a nivel de la mecánica cuántica, lo que puede ampliar las fronteras del conocimiento de cómo interactúan los protones y los electrones en las interfaces catalíticas.

“El trabajo también es emocionante porque brinda a las personas un principio de diseño sobre cómo ajustar los catalizadores”, dice Zhang. “Necesitamos algunas especies justo en un ‘punto óptimo’, ni demasiado activas ni demasiado inertes, para aumentar la velocidad de reacción”.

Con algunas de estas técnicas, dice Reshma Rao, un recién graduado del MIT y ahora postdoctorado en el Imperial College de Londres, quien también es coautor del artículo, “vemos un aumento en la actividad hasta cinco veces. Creo que la parte más emocionante de esta investigación es la forma en que abre una dimensión completamente nueva en la forma en que pensamos sobre la catálisis ”. El campamento se había topado con “una especie de obstáculo”, dice, para encontrar formas de diseñar mejores materiales. Centrándonos en la capa líquida en lugar de la superficie del material, “es una forma completamente diferente de ver este problema y abre una dimensión completamente nueva, un eje completamente nuevo a lo largo del cual podemos cambiar las cosas y optimizar algunas de estas velocidades de reacción. “

El equipo también incluyó a Botao Huang, Bin Cai y Livia Giordano en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y Shi-Gang Sun en la Universidad de Xiamen en China. El trabajo fue apoyado por el Toyota Research Institute y utilizó el entorno de ciencia e ingeniería extrema de la National Science Foundation.