Una reorganización atómica allana el camino a catalizadores récord para la producción de hidrógeno
"Esto abre una nueva estrategia para diseñar catalizadores adaptables para una amplia gama de aplicaciones"
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Unos investigadores han descubierto que los átomos pueden mezclarse, separarse y recombinarse en un mismo experimento, lo que abre la vía a un catalizador sin precedentes para la producción ecológica de hidrógeno.
En el estudio, el equipo creó partículas a nanoescala que contenían sólo unas docenas de átomos de platino y níquel y observó un comportamiento dinámico inusual en el espacio directo y en tiempo real. Cuando los dos metales se separan entre sí, manteniendo una interfaz, se vuelven muy activos para la división electroquímica del agua, lo que conduce a una evolución eficiente del hidrógeno.
El proyecto está dirigido por la Universidad de Nottingham en colaboración con la Universidad de Birmingham, la Diamond Light Source y la Universidad de Ulm (Alemania). El estudio se publica hoy en Advanced Materials.
El Dr. Jesum Alves Fernandes, de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, que dirigió el equipo de investigación, declaró: "Lo que hace apasionante este descubrimiento es que podemos ajustar de forma reversible la estructura de la partícula mientras observamos directamente el proceso a escala atómica. Esto abre una nueva estrategia de diseño de catalizadores adaptables para una amplia gama de aplicaciones".
Cuando se añade leche al café, las dos sustancias se mezclan sin esfuerzo y no pueden separarse espontáneamente. Este proceso está dictado por la segunda ley de la termodinámica, que regula el comportamiento de moléculas y átomos, lo que conduce a un aumento de la entropía, o medida del desorden.
El Dr. Emerson Kohlrausch, que dirigió el trabajo experimental en la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, declaró: "Al principio, cuando observamos las nanopartículas de platino-níquel al microscopio electrónico, vimos que los dos tipos de átomos estaban mezclados, como cabría esperar en una aleación. Sin embargo, sólo unos segundos después, los dos metales empezaron a separarse el uno del otro ante nuestros ojos. Fue una observación sorprendente, ya que parecía ir en contra de los comportamientos termodinámicos convencionales".
Para obtener imágenes de un material mediante microscopía electrónica, los átomos deben interactuar con un haz de electrones rápidos, que pueden transferir parte de su energía a los átomos de la muestra. Esto estimula a los átomos a reorganizarse en la partícula para ocupar nuevas posiciones, lo que, en el caso del platino-níquel intermetálico, conduce a la separación de los metales.
En cuanto el níquel se separa del platino, capta átomos de oxígeno del entorno, formando un óxido. "El resultado son nanopartículas formadas por dos mitades: metal de platino y óxido de níquel, separadas por una interfaz atómicamente definida. Creamos nuevos tipos de partículas híbridas y observamos su formación en tiempo real, lo que no tiene precedentes", afirma el profesor Andrei Khlobystov, catedrático de Nanomateriales de la Universidad de Nottingham, defensor del uso de la microscopía electrónica para obtener imágenes de reacciones químicas.
En el pasado, el equipo utilizó el haz de electrones como herramienta de imagen y fuente de energía para reacciones químicas, demostrando la primera observación en tiempo real de la ruptura y formación de enlaces químicos y la nucleación de cristales. El profesor Ute Kaiser, que dirigió el proyecto SALVE que desarrolló un microscopio único para estos experimentos en la Universidad de Ulm (Alemania), declaró: "Es importante crear condiciones en las que podamos seguir las posiciones de cada átomo. Para lograrlo, empleamos el material más fino posible para sostener las nanopartículas, la lámina de grafeno, y controlamos cuidadosamente la energía y el flujo de los haces de electrones".
Sorprendentemente, los metales pueden volver a mezclarse si se cambian las condiciones, formando una aleación, y el mismo proceso puede repetirse varias veces. Según el Dr. Emerson Kohlrausch, "en lugar de comportarse como objetos sólidos rígidos, las partículas parecían comportarse como criaturas vivas, respondiendo al entorno. Esto nos inspiró para aprovechar su dinámica para la catálisis".
Los investigadores estudiaron las partículas de platino-níquel para la producción de hidrógeno mediante la separación electroquímica del agua. Demostraron que el proceso de separación de metales descubierto en el microscopio electrónico también se produce en las condiciones de reacción. El Dr. Jesum Alves Fernandes declaró: "Lo que hace que estas partículas sean tan eficaces es la cooperación entre los dos materiales tras la separación. El platino y el óxido de níquel desempeñan cada uno papeles diferentes en la división del agua, y el hecho de compartir un límite atómico permite la cooperación definitiva entre ellos."
El efecto cooperativo potencia la producción de hidrógeno a partir del agua, lo que convierte a este material en uno de los catalizadores más eficaces para la división del agua. Más allá de la producción de hidrógeno, los hallazgos podrían influir en el futuro diseño de catalizadores para la conversión de energía, la fabricación de productos químicos y los procesos industriales sostenibles.
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
Emerson C. Kohlrausch, Christopher Leist, Gazi N. Aliev, Mohsen Danaie, Matthew Young, Madasamy Thangamuthu, Yifan Chen, William J. Cull, Wolfgang Theis, Ute Kaiser, Andrei N. Khlobystov, Jesum Alves Fernandes; "Direct Imaging Reveals the Atomic Mechanism of Active‐Site Formation in Nanoclusters for Hydrogen Production"; Advanced Materials, 2026-6-3
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