26.11.2020 - Technische Universität Wien

Catalizadores estables para la nueva energía

Las nuevas tecnologías cruciales, como la producción de hidrógeno o la captura de carbono, requieren nuevos catalizadores. Los experimentos muestran: No es sólo el material lo que importa, sino también la estructura de su superficie atómica

En el camino hacia una economía CO2-neutral, necesitamos perfeccionar toda una gama de tecnologías - incluyendo la extracción electroquímica de hidrógeno del agua, las células de combustible, o la captura de carbono. Todas estas tecnologías tienen una cosa en común: sólo funcionan si se utilizan catalizadores adecuados. Por lo tanto, durante muchos años, los investigadores han estado investigando qué materiales son los más adecuados para este propósito.

En la Universidad Técnica de Viena y en el Centro de Electroquímica y Tecnología de Superficies del Cometa CEST en Wiener Neustadt, se dispone de una combinación única de métodos de investigación para este tipo de investigación. Juntos los científicos podrían ahora mostrar: Buscar el catalizador perfecto no sólo se trata de encontrar el material correcto, sino también de su orientación. Dependiendo de la dirección en la que se corte un cristal y de los átomos que presente al mundo exterior en su superficie, su comportamiento puede cambiar drásticamente.

Eficiencia o estabilidad

"En muchos procesos importantes de la electroquímica, los metales preciosos se utilizan a menudo como catalizadores, como el óxido de iridio o las partículas de platino", dice el profesor Markus Valtiner del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena (IAP). En muchos casos se trata de catalizadores con una eficacia especialmente alta. Sin embargo, también hay otros puntos importantes a considerar: La estabilidad de un catalizador y la disponibilidad y reciclabilidad de los materiales. El material catalizador más eficiente es de poca utilidad si es un metal raro, se disuelve después de un corto tiempo, experimenta cambios químicos o se vuelve inutilizable por otras razones.

Por esta razón, otros catalizadores más sostenibles son de interés, como el óxido de zinc, aunque son aún menos eficaces. Mediante la combinación de diferentes métodos de medición, ahora es posible demostrar que la eficacia y la estabilidad de esos catalizadores pueden mejorarse considerablemente estudiando cómo se estructura la superficie de los cristales del catalizador a escala atómica.

Todo depende de la dirección

Los cristales pueden tener diferentes superficies: "Imaginemos un cristal con forma de cubo que cortamos en dos", dice Markus Valtiner. "Podemos cortar el cubo directamente por el medio para crear dos cuboides. O podemos cortarlo exactamente en diagonal, en un ángulo de 45 grados. Las superficies de corte que obtenemos en estos dos casos son diferentes: Los diferentes átomos se encuentran a diferentes distancias entre sí en la superficie de corte. Por lo tanto, estas superficies también pueden comportarse de manera muy diferente en los procesos químicos".

Los cristales de óxido de zinc no tienen forma de cubo, sino que forman hexágonos en forma de panal, pero el mismo principio se aplica aquí también: Sus propiedades dependen de la disposición de los átomos en la superficie. "Si se elige exactamente el ángulo correcto de la superficie, se forman allí agujeros triangulares microscópicos con un diámetro de sólo unos pocos átomos", dice Markus Valtiner. "Los átomos de hidrógeno se pueden adherir allí, se producen procesos químicos que apoyan la división del agua, pero al mismo tiempo estabilizan el material mismo".

El equipo de investigación ha sido capaz de probar esta estabilización por primera vez: "En la superficie del catalizador, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno. Mientras este proceso está en marcha, podemos tomar muestras líquidas y examinar si contienen trazas del catalizador", explica Markus Valtiner. "Para ello, el líquido debe ser calentado fuertemente en un plasma y descompuesto en átomos individuales. Luego separamos estos átomos en un espectrómetro de masas y los clasificamos, elemento por elemento. Si el catalizador es estable, difícilmente encontraremos átomos del material del catalizador. De hecho, no pudimos detectar ninguna descomposición del material en las estructuras de los triángulos atómicos cuando se produjo el hidrógeno". Este efecto estabilizador es sorprendentemente fuerte - ahora el equipo está trabajando en hacer el óxido de zinc aún más eficiente y en transferir el principio físico de esta estabilización a otros materiales.

Oportunidades únicas de investigación para la transformación del sistema energético

Las estructuras de la superficie atómica han sido estudiadas en la Universidad de Viena durante muchos años. "En nuestro instituto, estas estructuras triangulares han sido demostradas y explicadas teóricamente por primera vez hace años, y ahora somos los primeros en demostrar su importancia para la electroquímica", dice Markus Valtiner. "Esto se debe a que aquí estamos en la situación única de poder combinar todos los pasos de investigación necesarios bajo un mismo techo - desde la preparación de las muestras hasta la simulación en supercomputadoras, desde la microscopía en ultra-alto vacío hasta las pruebas prácticas en entornos realistas".

"Esta colaboración de diferentes especialidades bajo un mismo techo es única, y nuestra gran ventaja es poder ser un líder mundial en la investigación y la enseñanza en este campo", dice Carina Brunnhofer, estudiante del IAP.

"En los próximos diez años, desarrollaremos sistemas estables y comercialmente viables para la división del agua y la reducción del CO2, basados en los desarrollos metodológicos y en una comprensión fundamental de la química y la física de las superficies", dice Dominik Dworschak, el primer autor del estudio recientemente publicado. "Sin embargo, al menos una duplicación sostenible de la producción de energía actual debe lograrse en paralelo", señala Markus Valtiner. "Por lo tanto, estamos en un camino apasionante, en el que sólo lograremos nuestros objetivos climáticos a través de una investigación y desarrollo consistente e intersectorial.

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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