Por World Energy Trade
Nuevo nanomaterial ayuda a obtener hidrógeno de un vector energético químico en estado líquido. La técnica podría ayudar a optimizar el proceso de extracción del hidrógeno. Es un paso clave hacia una fuente de combustible estable y limpia.
El hidrógeno es una fuente sostenible de energía limpia que no produce emisiones contaminantes y puede añadir valor a múltiples sectores de la economía, como el transporte, la generación de energía y la fabricación de metales, entre otros.
La tecnología para el almacenamiento y el transporte del hidrógeno tiende un puente entre la producción de energía sostenible y el uso de combustible y, por lo tanto, es un componente esencial para una economía del hidrógeno viable.
Sin embargo, los medios tradicionales de almacenamiento y transporte son caros y susceptibles de contaminación. Por ello, los investigadores están buscando técnicas alternativas que sean fiables, de bajo costo y sencillas. Los sistemas de suministro de hidrógeno más eficientes beneficiarían a muchas aplicaciones como las industrias de energía estacionaria, energía portátil y vehículos móviles.
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Ahora, como se informa en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores han diseñado y sintetizado un material efectivo para acelerar uno de los pasos limitantes en la extracción de hidrógeno de los alcoholes.
Dicho material, un catalizador, está hecho de pequeños grupos de níquel metal anclados en un sustrato 2-D. El equipo dirigido por investigadores de la Molecular Foundry del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que el catalizador podía acelerar de forma limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un portador químico líquido.
El nuevo material no está hecho de metales preciosos
El material es robusto y está hecho de metales abundantes en la tierra en lugar de las opciones existentes hechas de metales preciosos, y ayudará a hacer del hidrógeno una fuente de energía viable para una amplia gama de aplicaciones.
“Presentamos aquí no sólo un catalizador con mayor actividad que otros catalizadores de níquel que probamos, para un importante recurso para la energía renovable, sino también una estrategia más amplia hacia el uso de metales asequibles en una amplia gama de reacciones”, dijo Jeff Urban, el director de la Inorganic Nanostructures Facility de la Molecular Foundry que dirigió el trabajo.
La investigación es parte del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (Hydrogen Materials Advanced Research Consortium, HyMARC), un consorcio financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, EERE), Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Celdas de Combustible (Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, HFTO).
Mediante este esfuerzo, cinco laboratorios nacionales trabajan con el objetivo de abordar las deficiencias científicas que bloquean el avance de los materiales sólidos del almacenamiento de hidrógeno. Los resultados de esta colaboración se incorporarán directamente a la visión H2@Scale de la EERE para la producción, el almacenamiento, la distribución y la utilización asequibles del hidrógeno en múltiples sectores de la economía.
Los compuestos químicos que actúan como catalizadores, como el desarrollado por Urban y su equipo, se utilizan comúnmente para aumentar la velocidad de una reacción química sin que el propio compuesto sea consumido y podrían mantener una molécula particular en una posición estable, o servir como un intermediario que permita que un paso importante sea completado de manera confiable.
Para la reacción química que produce hidrógeno a partir de portadores líquidos, los catalizadores más eficaces están hechos de metales preciosos. No obstante, esos catalizadores están asociados con altos costos y baja abundancia, y son susceptibles de contaminación.
Otros catalizadores menos costosos, hechos de metales más comunes, tienden a ser menos eficaces y menos estables, lo que limita su actividad y su despliegue práctico en las industrias de producción de hidrógeno.
Perfeccionando el funcionamiento de los catalizadores
Para mejorar el rendimiento y la estabilidad de estos catalizadores basados en metales abundantes en la tierra, Urban y sus colegas modificaron una estrategia que se centra en pequeños y uniformes grupos de níquel. Los clusters diminutos son importantes porque maximizan la exposición de la superficie reactiva en una cantidad dada de material. Pero también tienden a agruparse, lo que inhibe su reactividad.
El asistente de investigación postdoctoral Zhuolei Zhang y el científico del proyecto Ji Su, ambos en la Molecular Foundry y co-autores del trabajo, diseñaron y realizaron un experimento que combatió la aglomeración depositando cúmulos de níquel de 1,5 nanómetros de diámetro en un sustrato bidimensional hecho de boro y nitrógeno creado para albergar una red de nódulos a escala atómica.
Los grupos de níquel se dispersaron uniformemente y se anclaron de forma segura en las cavidades. Este diseño no sólo evitó la aglomeración, sino que sus propiedades térmicas y químicas mejoraron enormemente el rendimiento global del catalizador al interactuar directamente con los cúmulos de níquel.
“Se ha descubierto que el papel de la superficie subyacente durante la etapa de formación y deposición de los cúmulos es crítico, y puede proporcionar pistas para comprender su papel en otros procesos”, dijo Urban.
Las detalladas mediciones de rayos X y espectroscopia, combinadas con cálculos teóricos, revelaron mucho sobre las superficies subyacentes y su papel en la catálisis. Utilizando herramientas de la Advanced Light Source, una instalación para usuarios del DOE en el Laboratorio de Berkeley, y métodos de modelado computacional, los investigadores identificaron cambios en las propiedades físicas y químicas de las láminas 2D, mientras se formaban diminutos cúmulos de níquel que se depositaban en ellas.
El equipo propuso que el material se forma mientras que los cúmulos de metal ocupan regiones prístinas de las láminas e interactúan con los bordes cercanos, preservando así el diminuto tamaño de los cúmulos. Los diminutos y estables clusters facilitaron la acción en los procesos a través de los cuales el hidrógeno es separado de su portador líquido, dotando al catalizador de una excelente selectividad, productividad y rendimiento estable.
Los cálculos mostraron que el tamaño del catalizador era la razón por la que su actividad estaba entre las mejores en relación con otras que se han notificado recientemente.
David Prendergast, director de la Theory of Nanostructured Materials Facility de la Molecular Foundry, junto con la asistente de investigación postdoctoral y co-autora Ana Sanz-Matias, utilizaron modelos y métodos computacionales para descubrir la estructura geométrica y electrónica única de los diminutos cúmulos de metal.
Los átomos de metal descubiertos, abundantes en estos diminutos cúmulos, atrajeron más fácilmente al portador líquido que las partículas de metal más grandes. Estos átomos expuestos también facilitaron los pasos de la reacción química que elimina el hidrógeno del portador, al tiempo que evitaron la formación de contaminantes que pudieran obstruir la superficie del cúmulo.
Por lo tanto, el material permaneció libre de contaminación durante los pasos clave de la reacción de producción de hidrógeno. Estas propiedades catalíticas y anticontaminantes surgieron de las imperfecciones que se habían introducido deliberadamente en las láminas 2D y, en última instancia, ayudaron a mantener el tamaño del cúmulo pequeño.
“La contaminación puede hacer inviables los posibles catalizadores de metales no preciosos. Nuestra plataforma aquí abre una nueva puerta a la ingeniería de esos sistemas”, dijo Urban.
En su catalizador, los investigadores lograron el objetivo de crear un material relativamente barato, fácilmente disponible y estable que ayuda a extraer el hidrógeno de los portadores líquidos para su uso como combustible.
Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE por desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con los objetivos de la Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office de la EERE y para optimizar los materiales para su futuro uso en vehículos.
El trabajo futuro del equipo del Laboratorio de Berkeley perfeccionará aún más la estrategia de modificar los sustratos 2-D de manera que soporten pequeños grupos de metales, para desarrollar catalizadores aún más eficientes. La técnica podría ayudar a optimizar el proceso de extracción de hidrógeno de los portadores químicos líquidos.
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