25.09.2020 - Technische Universität Wien

Nuevos materiales: Un interruptor de conmutación para la catálisis

Las reacciones electroquímicas, que jugarán un papel importante en el futuro del suministro de energía, pueden ahora ser explicadas en detalle

La electroquímica está desempeñando un papel cada vez más importante: Ya se trate de pilas de combustible, de electrólisis o de almacenamiento de energía química, se utilizan reacciones químicas controladas por corriente eléctrica. El factor decisivo en todas estas aplicaciones es que las reacciones sean lo más rápidas y eficientes posible.

Un importante paso adelante ha sido dado por un equipo de la TU Wien (Viena) y DESY en Hamburgo: Demostraron que un material especial hecho de lantano, estroncio, hierro y oxígeno puede ser cambiado de un estado a otro: En un estado el material es catalíticamente extremadamente activo, en el otro menos. La razón de esto es el comportamiento de las minúsculas nanopartículas de hierro en la superficie, que se ha demostrado en experimentos en el Sincrotrón Electrónico Alemán DESY en Hamburgo. Este hallazgo debería hacer posible el desarrollo de catalizadores aún mejores.

El voltaje eléctrico hace que los iones de oxígeno migren

"Hemos estado usando perovskitas para nuestros experimentos electroquímicos durante años", dice el profesor Alexander Opitz del Instituto de Tecnologías Químicas y Analíticas. "Las perovskitas son una clase muy diversa de materiales, algunos de ellos son excelentes catalizadores". La superficie de las perovskitas puede ayudar a poner en contacto ciertos reactivos entre sí, o a separarlos de nuevo. "Por encima de todo, las perovskitas tienen la ventaja de que son permeables a los iones de oxígeno. Por lo tanto, pueden conducir la corriente eléctrica, y estamos aprovechando esto", explica Alexander Opitz.

Cuando se aplica un voltaje eléctrico a la perovskita, los iones de oxígeno se liberan de su lugar dentro del cristal y comienzan a migrar a través del material. Si el voltaje excede un cierto valor, esto lleva a que los átomos de hierro de la perovskita también migren. Se mueven a la superficie y forman pequeñas partículas allí, con un diámetro de sólo unos pocos nanómetros. Esencialmente, estas nanopartículas son excelentes catalizadores.

"Lo interesante es que si uno invierte el voltaje eléctrico, la actividad catalítica disminuye de nuevo. Y hasta ahora la razón de esto no estaba clara," dice Alexander Opitz. "Algunas personas sospechaban que los átomos de hierro simplemente migrarían de vuelta al cristal, pero eso no es cierto. Cuando el efecto tiene lugar, los átomos de hierro no tienen que dejar su lugar en la superficie del material en absoluto."

Análisis con rayos X en el DESY

El equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena colaboró con un equipo del Sincrotrón de Electrones de Hamburgo (DESY) para analizar con precisión la estructura de las nanopartículas con rayos X mientras se realizan los procesos químicos. Resultó que las nanopartículas cambian de un lado a otro entre dos estados diferentes, dependiendo del voltaje aplicado: "Podemos cambiar las partículas de hierro entre un estado metálico y uno oxídico", dice Alexander Opitz. El voltaje aplicado determina si los iones de oxígeno del material son bombeados hacia las nanopartículas de hierro o lejos de ellas. Esto permite controlar cuánto oxígeno contienen las nanopartículas, y dependiendo de la cantidad de oxígeno, las nanopartículas pueden formar dos estructuras diferentes: una rica en oxígeno, con baja actividad catalítica, y otra pobre en oxígeno, es decir, metálica, que es catalíticamente muy activa.

"Este es un hallazgo muy importante para nosotros", dice Alexander Opitz. "Si el cambio entre los dos estados fuera causado por los átomos de hierro de la nanopartícula que se difunde en el cristal, se necesitarían temperaturas muy altas para que este proceso funcione eficientemente. Ahora que entendemos que el cambio de actividad no está relacionado con la difusión de los átomos de hierro sino con el cambio entre dos estructuras cristalinas diferentes, también sabemos que las temperaturas comparativamente bajas pueden ser suficientes. Esto hace que este tipo de catalizador sea aún más interesante porque puede utilizarse potencialmente para acelerar las reacciones tecnológicamente relevantes.

Desde el hidrógeno hasta el almacenamiento de energía

Este mecanismo catalítico debe ser ahora investigado más a fondo, también para materiales con composiciones ligeramente diferentes. Podría aumentar la eficiencia de muchas aplicaciones. "Esto es particularmente interesante para las reacciones químicas que son importantes en el sector de la energía", dice Alexander Opitz. "Por ejemplo, cuando se trata de la producción de hidrógeno o gas de síntesis, o para el almacenamiento de energía mediante la producción de combustible con corriente eléctrica."

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