Las mejores partículas de catalizador: los cubos superan a las esferas

Por Ruhr-University Bochum 5 de febrero de 2023

Los electrocatalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas en las celdas electroquímicas. Son componentes cruciales en muchas tecnologías de conversión y almacenamiento de energía, como celdas de combustible, baterías y electrolizadores, ya que mejoran la eficiencia y la estabilidad de estos sistemas.

En la lucha contra el cambio climático, la reducción de las emisiones de CO2 es crucial. Actualmente, el hidrógeno gris, producido a partir del petróleo y el gas natural, se usa ampliamente, pero se están realizando esfuerzos para reemplazarlo con hidrógeno verde, generado a partir de fuentes renovables. El hidrógeno verde se produce a través de la electrólisis, un proceso en el que la electricidad divide el agua en hidrógeno y oxígeno. A pesar de su potencial, se deben superar varios desafíos para que la electrólisis sea una opción viable.

En la actualidad, el proceso de división del agua solo es eficiente en un grado limitado y no hay suficientes catalizadores potentes, duraderos y rentables para ello.

"Actualmente, los electrocatalizadores más activos se basan en los raros y costosos metales preciosos iridio, rutenio y platino", enumera Kristina Tschulik. "Como investigadores, nuestro trabajo es, por lo tanto, desarrollar nuevos electrocatalizadores altamente activos que no contengan metales preciosos".

Su grupo de investigación estudia catalizadores en forma de nanopartículas de óxido de metal base que son un millón de veces más pequeñas que un cabello humano. Fabricados a escala industrial, varían en forma, tamaño y composición química.

Kristina Tschulik (izquierda) y Hatem Amin investigan las nanopartículas como catalizadores del hidrógeno verde. Crédito: © RUB, Marquard

"Usamos mediciones para examinar las denominadas tintas catalizadoras, en las que miles de millones de partículas se mezclan con aglutinantes y aditivos", destaca Kristina Tschulik. Este método solo permite a los investigadores medir un rendimiento promedio, pero no la actividad de partículas individuales, que es lo que realmente importa.

"Si supiéramos qué forma de partícula o faceta de cristal, las superficies que apuntan hacia afuera, es la más activa, podríamos producir específicamente partículas con esa forma exacta", dice el Dr. Hatem Amin, investigador postdoctoral en química analítica en la Universidad Ruhr de Bochum.

El grupo de investigación ha desarrollado un método para analizar partículas individuales directamente en solución. Esto les permite comparar la actividad de diferentes nanomateriales entre sí para comprender la influencia de las propiedades de las partículas, como su forma y composición, en la división del agua. "Nuestros resultados indican que las partículas de óxido de cobalto en forma de cubos individuales son más activas que las esferas, ya que estas últimas siempre tienen otras facetas menos activas".

Los hallazgos experimentales del grupo de Bochum fueron confirmados por sus socios de cooperación encabezados por la profesora Rossitza Pentcheva de la Universidad de Duisburg-Essen como parte del Centro de Investigación Colaborativo/Transregio 247. Los análisis teóricos de este último indican un cambio en las regiones activas del catalizador, a saber, del cobalto átomos que están rodeados por átomos de oxígeno que forman un octaedro a átomos de cobalto que están rodeados por un tetraedro.

"Nuestros conocimientos sobre la correlación entre la forma de las partículas y la actividad sientan las bases para el diseño basado en el conocimiento de materiales catalizadores viables y, en consecuencia, para la transformación de nuestras industrias químicas y de energía fósil hacia una economía circular basada en fuentes de energía renovables y altamente activas. , catalizadores de larga duración", concluye Kristina Tschulik.

Referencia: "Actividad intrínseca dependiente de facetas de nanopartículas de Co3O4 individuales para la reacción de evolución de oxígeno (Adv. Funct. Mater. 1/2023)" por Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva y Kristina Tschulik, 3 de enero 2023, Materiales Funcionales Avanzados.DOI: 10.1002/adfm.202370006