06.03.2020 - Max-Planck-Institut für Polymerforschung

La división del agua observada en la escala nanométrica

El nuevo método proporciona conocimientos fundamentales sobre la división electrocatalítica del agua en condiciones de funcionamiento

Ya sea como combustible o en el almacenamiento de energía: el hidrógeno se está comercializando como el portador de energía del futuro. Hasta la fecha, las metodologías existentes no han podido dilucidar cómo se produce exactamente el proceso electroquímico de la división del agua en hidrógeno y oxígeno a escala molecular en una superficie de catalizador. Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPI-P) de Maguncia han desarrollado ahora un nuevo método para investigar tales procesos "en vivo" en la escala nanométrica. Los nuevos conocimientos detallados sobre la división del agua en las superficies de oro podrían ayudar al diseño de electrocatalizadores eficientes desde el punto de vista energético.

Es un experimento escolar muy conocido: Cuando se aplica un voltaje entre dos electrodos insertados en el agua, se produce hidrógeno molecular y oxígeno. Para fomentar el uso industrial de este proceso, es indispensable hacer que la división del agua sea lo más eficiente posible desde el punto de vista energético. Además del material del electrodo, la calidad de su superficie es un aspecto crucial para la eficiencia de la división. En particular, los puntos ásperos de sólo unos pocos nanómetros - es decir, millonésimas de milímetro - de tamaño que se llaman centros reactivos determinan la reactividad electroquímica de un electrodo.

Los métodos de investigación anteriores no eran lo suficientemente precisos como para seguir las reacciones químicas que tenían lugar en tales centros reactivos de la superficie del electrodo con suficiente resolución espacial en condiciones operativas reales, es decir, en una solución de electrolito a temperatura ambiente y con un voltaje aplicado. Un equipo de científicos dirigido por la Dra. Katrin Domke, líder del grupo independiente Boehringer Ingelheim "Plus 3" en el MPI-P, ha desarrollado ahora un nuevo método con el que los pasos iniciales de la división electrocatalítica del agua en una superficie de oro podrían estudiarse por primera vez con una resolución espacial de menos de 10 nm en condiciones operativas.

"Pudimos demostrar experimentalmente que las superficies con protuberancias en el rango de los nanómetros dividen el agua de una manera más eficiente en términos de energía que las superficies planas", dice Katrin Domke. "Con nuestras imágenes, podemos seguir la actividad catalítica de los centros reactivos durante los pasos iniciales de la división del agua".

Para su método, han combinado diferentes técnicas: En la espectroscopia Raman, las moléculas se iluminan con la luz que dispersan. El espectro de luz dispersa contiene información que proporciona una huella química de la molécula, permitiendo la identificación de especies químicas. Sin embargo, la espectroscopia Raman es típicamente una técnica que produce sólo señales muy débiles y, además, sólo señales promediadas espacialmente sobre cientos o miles de nanómetros.

Por esta razón, los investigadores han combinado la técnica Raman con la microscopía de túnel de barrido: al escanear una punta de oro de un nanómetro de espesor iluminada con luz láser sobre la superficie investigada, la señal Raman se amplifica en muchos órdenes de magnitud directamente en el ápice de la punta que actúa como una antena. Este fuerte efecto de mejora permite la investigación de muy pocas moléculas a la vez. Además, el estrecho enfoque de la luz por la punta lleva a una resolución óptica espacial de menos de diez nanómetros. La característica distintiva del aparato es que puede funcionar en condiciones de funcionamiento electrocatalítico realistas.

"Pudimos demostrar que durante la división del agua en puntos ásperos de pocos nanómetros - es decir, un centro reactivo - se forman dos óxidos de oro diferentes, que podrían representar importantes intermediarios en la separación del átomo de oxígeno de los átomos de hidrógeno", dice Domke. Con sus investigaciones, ahora es posible obtener una visión más precisa de los procesos que tienen lugar a escala nanométrica en las superficies reactivas y facilitar el diseño de electrocatalizadores más eficientes en el futuro, donde se necesita menos energía para separar el agua en hidrógeno y oxígeno.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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