Revelan un proceso de división del agua de alta eficacia
El estudio radiográfico analiza de cerca la reacción de gran interés ante las innovaciones en energías limpias
Los experimentos realizados en las fuentes de luz PETRA III y FLASH del DESY han revelado el complejo modo de acción que se esconde tras la división artificial del agua en su nivel más eficiente. Utilizando rayos X, un equipo dirigido por Simone Techert, científica principal del DESY, consiguió observar la interacción del agua con una perovskita, una clase de mineral de interés en muchos materiales nuevos y que es bien conocido como catalizador para la ruptura de las moléculas de agua en moléculas constituyentes de hidrógeno y oxígeno. Esta observación y análisis pueden ayudar a seguir mejorando el proceso, que puede utilizarse para la producción eficiente y limpia del llamado hidrógeno y oxígeno "verdes" para pilas de combustible y tecnologías de baterías mejoradas, entre otros usos potenciales, como en la industria química. La investigación se ha publicado en la revista Accounts of Chemical Research.
La perovskita LSMO, vista aquí en otro experimento incrustada en una célula solar, puede catalizar la separación de agua con una alta eficiencia. Esto contribuye al desarrollo del llamado "hidrógeno verde" y el "oxígeno verde". El equipo de investigadores utilizó la espectroscopia de rayos X para observar la interacción entre la LSMO y el agua y comprender mejor cómo aumentar su eficiencia.
DESY, Gesine Born
Dividir el agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso es una tarea difícil. En concreto, la formación de las moléculas de oxígeno requiere grandes cantidades de energía, ya que su desarrollo requiere más pasos intermedios que el del hidrógeno. La electrólisis, el método más común de división de las moléculas de agua mediante un electrodo, siempre ha tenido el inconveniente de requerir cantidades comparativamente enormes de energía. El oxígeno se aferra fuertemente al hidrógeno del agua y, debido a su reactividad, tiende a formar óxidos intermedios que absorben gran parte de esa energía antes de liberarse como gas. En las células de las plantas y otros organismos que realizan la fotosíntesis, grandes y complicados sistemas de la célula se dedican a la ruptura de moléculas de agua en el proceso de construcción de moléculas de glucosa (en lugar de hidrógeno como combustible). Los componentes que desdoblan el agua en los sistemas biológicos son los más eficientes que se conocen, aunque sus funciones exactas son difíciles de descifrar. Son interesantes para el almacenamiento de energía, en este caso la producción de hidrógeno verde y también de oxígeno, que utiliza procesos poco o nada contaminantes.
Una clase de minerales con forma cúbica llamados perovskitas han destacado por su capacidad de reducir drásticamente la energía de la electrólisis en condiciones ambientales. "Las perovskitas que utilizamos se desvían en su actividad catalítica de lo esperado", afirma Techert. "Queríamos averiguar exactamente por qué son tan eficientes como lo son".
El equipo de Techert utilizó espectroscopia de rayos X blandos para monitorizar la reacción a medida que se producía. La perovskita que les interesa se genera artificialmente: Se llama LSMO y contiene átomos de lantano y estroncio en una estructura cristalina de óxido de manganeso.
"Las perovskitas son muy útiles porque es relativamente fácil sustituir sistemáticamente los átomos funcionales que contienen", explica Marcel Risch, experto en perovskitas y su uso en la producción de hidrógeno verde en el Helmholtz-Zentrum de Berlín.
El equipo utilizó una cámara de reacción especial para controlar el movimiento de los electrones entre las moléculas de agua y la perovskita durante una reacción de electrólisis. La cámara, denominada ChemRIXS, se desarrolló en el DESY para láseres de electrones libres como FLASH, pero también puede utilizarse con fuentes de luz sincrotrónicas como PETRA III. El equipo utilizó ambas instalaciones para recoger sus datos. Con ChemRIXS, los investigadores pueden combinar entornos químicos complejos con una técnica denominada dispersión inelástica resonante de rayos X blandos, que revela el movimiento de los electrones, el fundamento de las reacciones químicas.
En esta reacción de electrólisis catalizada por la perovskita LSMO, el equipo pudo seguir la reacción en la superficie del catalizador. Los resultados mostraron que el manganeso de la LSMO se mantiene con una carga positiva muy elevada gracias a los demás átomos del cristal, lo que le permite atraer el oxígeno lejos de los hidrógenos de la molécula de agua durante la reacción. Esto permitió a los dos electrodos utilizados en la electrólisis producir tanto hidrógeno como oxígeno con mucha menos energía. En lugar de formar óxidos que absorben grandes cantidades de energía de reacción, el oxígeno es atraído por el manganeso del LSMO. El manganeso cambia su capacidad de atracción en el transcurso de la reacción, lo que permite al oxígeno unirse a sí mismo y formar un gas con una energía menor que si se hubieran formado óxidos.
"Por sus propiedades, el LSMO es uno de los materiales de electrodo preferidos para producir oxígeno en el proceso de división del agua", explica Techert. "La producción de oxígeno es una reacción de cuatro pasos, lo que resulta difícil de llevar a cabo cuando se busca un bajo consumo energético para esta reacción. En los experimentos, pudimos observar los productos intermedios que se forman en la superficie del LSMO con el agua antes de que se forme el oxígeno; ese conocimiento puede ayudar a que un proceso ya de por sí eficiente lo sea aún más si podemos considerar ciertos cambios materiales definidos."
Para trabajar en la eficiencia del proceso del oxígeno, el equipo disolvió hidróxido de potasio en el agua. Además de proporcionar unas condiciones más reales en el laboratorio, el equipo descubrió que el agua más alcalina ayuda a que la reacción de electrólisis progrese de forma más eficiente al proporcionar iones libres.
"Se trata de una investigación pionera en la que estamos viendo qué es posible", afirma Risch. El equipo examinará en futuros experimentos con los mismos métodos la dinámica de los procesos de hidrógeno y oxígeno.
En la investigación participaron científicos del DESY, la Universidad de Gotinga y el Helmholtz-Zentrum de Berlín, en Alemania, y del Instituto Paul Scherrer y la empresa XRnanotech, en Suiza.
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