El campo magnético durante la síntesis catalítica triplica el rendimiento del amoníaco
Una estrategia escalable para desarrollar electrocatalizadores de nueva generación para una producción química eficiente y sostenible
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La aplicación de un campo magnético externo durante la síntesis de electrocatalizadores de CoFe₂O₄ triplica el rendimiento de amoníaco durante la conversión electrocatalítica. El campo magnético altera los estados superficiales de las películas finas de óxido de espinela, haciendo más accesibles los sitios catalíticamente activos. En la revista "Advanced Functional Materials", un equipo dirigido por Marcel Risch, de HZB, y Sanjay Mathur, de la Universidad de Colonia, demuestra una estrategia escalable para desarrollar electrocatalizadores de nueva generación que permitan una producción química eficiente y sostenible.
La microscopía electrónica de barrido muestra películas finas de CoFe2O4 tras su uso como electrocatalizador para la síntesis de amoníaco a partir de nitrato. Llama especialmente la atención la superficie significativamente "más rugosa" del CoFe2O4 producido a 1 Tesla.
© S. Mathur /Univ. Cologne
Desde la industria química y la economía del hidrógeno hasta la producción de fertilizantes a base de amoníaco, las nuevas tecnologías catalizadoras son la clave de una mayor sostenibilidad y eficiencia. Tomemos como ejemplo la síntesis de amoníaco: el conocido proceso Haber-Bosch consume entre el 1% y el 2% de la energía mundial y es responsable de casi el 1% de las emisiones anuales de gases de efecto invernadero. Sin embargo, el proceso Haber-Bosch, que consume mucha energía, ya no es la única opción. Un nuevo enfoque se basa en la conversión electroquímica del nitrato en amoníaco. El nitrato se acumula en grandes cantidades en los purines de la agricultura intensiva y es especialmente nocivo para los cursos de agua. Sin embargo, se necesitan catalizadores adecuados para suprimir la formación de subproductos que contengan hidrógeno y nitrógeno durante la conversión de nitrato en amoníaco. A este respecto, la clase de óxidos de metales de transición espinela se considera especialmente prometedora, sobre todo las películas finas de CoFe₂O₄.
Un campo magnético externo aplicado durante la síntesis de estos catalizadores puede aumentar enormemente su eficacia y selectividad, como demuestra un estudio dirigido por el Dr. Marcel Risch, del HZB, y el Prof. Dr. Sanjay Mathur, de la Universidad de Colonia. Aplicando un campo magnético durante el depósito químico en fase de vapor, pretendíamos adaptar los estados superficiales y la distribución de cationes en películas finas de CoFe₂O₄ para crear electrocatalizadores de ingeniería superficial más eficientes", explica Mathur, que dirigió la síntesis de los materiales. Esta suposición se confirmó muy claramente.
Las capas de CoFe₂O₄ producidas bajo un campo magnético de 1 T obtuvieron los mejores resultados: en comparación con las de CoFe₂O₄ producidas sin campo magnético, produjeron tres veces más amoníaco, lo que demuestra la eficacia de la ingeniería de superficies controlada por campo magnético. Al comparar el rendimiento de amoníaco del catalizador CoFe₂O₄-1T con el del óxido de hierro puro Fe3O4-1T, también sintetizado bajo un campo magnético de 1 Tesla, el rendimiento de amoníaco fue varias veces superior (22 veces). Esto demuestra que el cobalto desempeña un papel decisivo en la reducción del nitrato. Los cálculos complementarios de DFT confirman que el cobalto suprime la reacción competidora de evolución del hidrógeno, al tiempo que favorece la conversión del nitrato. El campo magnético aplicado estabiliza los iones de Co²⁺ catalíticamente activos en sitios octaédricos, lo que evidentemente reduce las barreras cinéticas para la reducción del nitrato", explica Risch.
El estudio demuestra que, junto con la temperatura y la presión, el campo magnético es un parámetro eficaz para controlar la distribución de los cationes, las estructuras de los dominios magnéticos y los estados de la superficie a nivel atómico durante el crecimiento de los catalizadores de película fina. Aunque el campo magnético sólo se aplica durante el crecimiento de la película fina, las mejoras siguen teniendo un efecto positivo duradero incluso durante el funcionamiento electroquímico sin campo. Esto hace que nuestro método sea especialmente prometedor para aplicaciones prácticas, ya que no se necesita un campo magnético externo durante la electrólisis", afirma Risch.
Las imágenes tomadas con un microscopio electrónico de barrido muestran que las superficies de las películas finas de CoFe2O4 son sistemáticamente mucho más rugosas -y, por tanto, más grandes- cuanto más intenso es el campo magnético durante la síntesis. Esperamos que estos resultados estimulen una exploración más amplia de estrategias asistidas por campos magnéticos para adaptar electrocatalizadores", afirma Mathur.
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.
Publicación original
Touraj Karimpour, Younes Mousazade, Simon Diel, Shilendra Kumar Sharma, Tisita Das, Nathália C. Verissimo, Thomas Fischer, Ziyaad Aytuna, Andreas Lichtenberg, Sudip Chakraborty, Marcel Risch, Sanjay Mathur; "Magnetic-Field Control of Surface States in CoFe2O4 Thin Films for Nitrate Electroreduction to Ammonia"; Advanced Functional Materials, 2026-5-31
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