Evolución del oxígeno y el cloro sin metales nobles
El potencial del electrodo transforma las superficies
Son muy selectivos y pueden separarse fácilmente de la mezcla de reacción: los catalizadores monoatómicos combinan las ventajas de la catálisis homogénea y heterogénea. Hasta ahora, su producción se asociaba generalmente a metales preciosos anclados a un sustrato sólido. Investigadores dirigidos por la Universidad de Duisburgo-Essen han demostrado ahora que tales estructuras también pueden formarse electroquímicamente, de forma independiente y sin metales nobles. Sus hallazgos, publicados en la revista científica JACS*, abren nuevas vías para una producción más sencilla y sostenible de materiales catalíticamente activos.
Un potencial de electrodo aplicado transforma la superficie del MXeno: los átomos de metales no nobles migran hacia el exterior y forman "estructuras tipo SAC", centros activos para la evolución de oxígeno gaseoso o cloro gaseoso.
© UDE/AG Exner
Los MXenos son una clase de materiales bidimensionales que no se descubrieron hasta 2011. Estudios teóricos habían predicho anteriormente que no serían catalíticamente activos en procesos anódicos. Investigadores dirigidos por el Prof. Dr. Kai S. Exner, jefe del Departamento de Catálisis Teórica y Electroquímica de la Universidad de Duisburgo-Essen (UDE), han refutado ahora esta teoría mediante modelado multiescala.
Los científicos descubrieron que cuando se aplica un potencial de electrodo, la superficie de MXene se transforma en una estructura similar a un cepillo: los átomos de metales no nobles migran hacia fuera y forman las llamadas "estructuras tipo SAC" (single atom catalyst-like). Estos catalizadores median en dos reacciones importantes, a saber, las reacciones de evolución del oxígeno y de evolución del cloro.
El resultado es un material cuya superficie tiene sitios catalíticamente activos sin la adición de metales preciosos. Llegamos a la conclusión de que los MXenos se comportan de forma similar a las enzimas en un entorno electroquímico: al aplicar un potencial de electrodo, sus sitios activos se crean directamente en el proceso", explica Exner.
El equipo también pudo demostrar que las estructuras tipo SAC resultantes son selectivas: si en el entorno de la reacción hay agua e iones cloruro al mismo tiempo, sólo se forma cloro gaseoso. La formación de esta sustancia química base es un proceso clave en la industria química, que produce más de 70 millones de toneladas de cloro gaseoso (Cl2) al año. El Cl2 es necesario para la producción de productos farmacéuticos, plásticos, baterías y para el tratamiento del agua. Sin embargo, cuando sólo se dispone de agua en el electrolito, la superficie activa del MXeno facilita la producción de oxígeno gaseoso (O2) mediante la evolución del oxígeno, un paso importante en la formación de hidrógeno verde en un electrolizador.
Este descubrimiento puede simplificar enormemente la producción de catalizadores monoatómicos. La eliminación de los costosos metales preciosos también reduce costes y dependencias.
En el estudio también han participado investigadores de la Universidad de Barcelona (España) y científicos de Ruhr Explores Solvation (RESOLV). RESOLV es una agrupación de excelencia de la Alianza Universitaria del Ruhr.
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