Se descubre una nueva dinámica en la catálisis heterogénea
Los investigadores han demostrado que los catalizadores sólidos pueden comportarse a veces de forma diferente a lo que se suponía durante la producción de hidrógeno
La evolución del oxígeno se considera uno de los pasos de mayor consumo energético en la electrólisis del agua y es, por tanto, un factor clave para una producción ecológica de hidrógeno más eficiente. La modelización de los mecanismos de reacción se ha basado hasta ahora en el supuesto de que los pasos elementales tienen lugar secuencialmente y no de forma concertada. Un equipo dirigido por el Prof. Dr. Kai S. Exner, de la Universidad de Duisburg-Essen, ha demostrado ahora que esta suposición no siempre es correcta. Los resultados, publicados en Nature Communications, abren nuevas posibilidades de mejora de los catalizadores sólidos para aplicaciones de conversión y almacenamiento de energía.
Hay dos tipos básicos de catálisis: los catalizadores homogéneos tienen el mismo estado físico que las sustancias que se convierten (por ejemplo, todas son líquidas), mientras que los catalizadores heterogéneos se encuentran en una fase distinta, por ejemplo, un sólido que reacciona con líquidos o gases. Para que se produzca una reacción en la superficie de un catalizador sólido, los materiales de partida (reactantes) deben adherirse a su superficie (adsorción) y volver a disolverse después de que se haya producido la reacción (desorción).
Hasta ahora, la investigación sobre catalizadores sólidos -es decir, la variante heterogénea- partía de la base de que la adsorción y la desorción se producen secuencialmente: el reactivo se une al catalizador, reacciona y, a continuación, se disuelve el producto. En la catálisis homogénea, sin embargo, se sabe que estos pasos tienen lugar simultáneamente.
Al modelizar los mecanismos de reacción en catálisis heterogénea, no siempre se han tenido en cuenta los posibles pasos elementales simultáneos. Sin embargo, un estudio teórico del Cluster de Excelencia RESOLV muestra ahora que el dióxido de iridio sólido (IrO₂), que se utiliza como material anódico para la producción de hidrógeno verde, se comporta de forma similar a un catalizador homogéneo en lo que respecta a la evolución del oxígeno: el oxígeno se produce en un "mecanismo tipo Walden" en el que la adsorción y la desorción se producen de forma concertada, de forma análoga a las variantes homogéneas. Esto contradice las ideas anteriores y abre nuevas posibilidades de mejora de los catalizadores sólidos que se ajustan más a los principios de los procesos homogéneos en disolución.
La investigación de Exner se basa en varios proyectos conjuntos de la Universidad de Duisburgo Essen y la Alianza de Universidades del Ruhr: el proyecto Natural Water to Hydrogen, dirigido por la Prof. Dra. Corina Andronescu, el Centro de Investigación Colaborativa 247 Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase y, por último, pero no por ello menos importante, la investigación en el nuevo edificio Active Sites, cuya ceremonia de colocación de la primera piedra ha tenido lugar recientemente.
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