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Aug 22, 2023

Encontrar oro con una solución molecular misteriosa para una posible energía limpia

Un equipo de investigación dirigido por Penn State reveló el mecanismo molecular que sustenta un fenómeno llamado desbordamiento de hidrógeno. Este conocimiento puede conducir a un almacenamiento de hidrógeno más eficiente y eficaz para

Un equipo de investigación dirigido por Penn State reveló el mecanismo molecular que sustenta un fenómeno llamado desbordamiento de hidrógeno. Este entendimiento puede conducir a un almacenamiento de hidrógeno más eficiente y eficaz para el uso de energía limpia. Los métodos actuales requieren una cantidad significativa de energía y espacio para almacenar el hidrógeno en forma líquida. Crédito: Hirun/Getty Images. Reservados todos los derechos.

31 de agosto de 2023

Por Ashley Wenners Herron

UNIVERSITY PARK, Pensilvania — El desbordamiento de hidrógeno es exactamente lo que parece. Las pequeñas nanopartículas metálicas ancladas sobre un óxido térmicamente estable, como la sílice, comprenden una clase importante de catalizadores, que son sustancias utilizadas para acelerar reacciones químicas sin consumirse. La reacción catalítica suele ocurrir en el metal reactivo (y costoso), pero en algunos catalizadores, equivalentes similares a átomos de hidrógeno literalmente se derraman del metal al óxido. Estas especies de hidrógeno sobre óxido se denominan "desbordamiento de hidrógeno".

Esta curiosidad, descrita por primera vez en 1964, ha atraído más atención recientemente como una vía potencial para aprovechar el hidrógeno para obtener energía limpia; sin embargo, no ha avanzado mucho, según Bert Chandler, profesor de ingeniería química y química en Penn State. Esto se debe en gran parte a que, si bien los investigadores han podido identificar el derrame de hidrógeno durante casi 60 años, nadie ha podido cuantificarlo y describir el mecanismo que sustenta el fenómeno, hasta ahora.

Con algo de suerte y mucho trabajo, dijo Chandler, un equipo de investigación dirigido por Penn State descubrió cómo y por qué ocurre el derrame de hidrógeno y proporcionó la primera medición cuantitativa del proceso. Publicaron sus hallazgos en Nature Catalysis.

El trabajo, dijo Chandler, brinda la oportunidad de comprender y desarrollar mejor la activación y el almacenamiento de hidrógeno. El almacenamiento de hidrógeno convencional requiere cantidades significativas de energía para mantenerlo lo suficientemente frío como para permanecer líquido. Sin embargo, con su exclusivo sistema de oro sobre titania, el equipo de investigación demostró que pueden descomponer de manera eficaz, eficiente y reversible las moléculas de hidrógeno en átomos de hidrógeno (un proceso necesario para inducir el desbordamiento de hidrógeno) a temperaturas más altas que requieren menos energía.

"Ahora podemos explicar cómo funciona el derrame de hidrógeno, por qué funciona y qué lo impulsa", dijo Chandler, autor correspondiente del artículo. “Y, por primera vez, pudimos medirlo; eso es clave. Una vez que lo cuantificas, puedes ver cómo cambia, descubrir cómo controlarlo y cómo aplicarlo a nuevos problemas”.

En los sistemas de desbordamiento de hidrógeno, el gas hidrógeno reacciona para dividirse en equivalentes de átomos de hidrógeno: un protón y un electrón, pero en una disposición ligeramente diferente a su disposición típica. En este sistema, los protones se adhieren a la superficie del material mientras los electrones entran en la banda de conducción cercana a la superficie del óxido semiconductor. Los investigadores dijeron que esperan aprender a utilizarlos para probar aplicaciones químicas más avanzadas, como la conversión de átomos para su uso como combustible limpio y almacenamiento de hidrógeno, según Chandler.

"La pieza semiconductora es importante porque los equivalentes del átomo de hidrógeno tienen sus protones en la superficie y sus electrones en el subsuelo; todavía están muy juntos, pero separados por una superficie conductora", dijo Chandler, explicando que esta pequeña separación evita pagar un gran precio. penalización de energía que normalmente se necesita para la separación de cargas. “Para casi todos los sistemas de adsorción, es necesario tener una adsorción de calor favorable para superar la pérdida de energía que se necesita para convertir una molécula de gas en un sólido mediante adsorción. Es entrópicamente desfavorable”.

La entropía representa la energía térmica no disponible necesaria para hacer avanzar un proceso. En otras palabras, la entropía es energía que se dispersa en subestados, como el hielo que se derrite en agua cuando no está disponible la energía para mantener las moléculas en estado sólido. Las energías requieren equilibrio, dijo Chandler, y medir la contribución de la entropía al equilibrio es casi imposible en estos sistemas.

Este esquema ilustra cómo átomos equivalentes similares al hidrógeno se desbordan del metal y se adsorben en el óxido de titanio. Crédito: Proporcionado por Bert Chandler. Todos los derechos reservados.

El derrame de hidrógeno se descubrió por primera vez en un sistema de platino sobre óxido de tungsteno en 1964 y desde entonces se ha observado en diferentes sistemas. Chandler explicó que, hasta hace poco, los investigadores creían que los equivalentes de los átomos de hidrógeno estaban fuertemente unidos a la capa de nanopartículas y requerían más energía térmica para romper esos enlaces y producir más derrames. Pero la mayoría de los sistemas que facilitan el desbordamiento de hidrógeno son complicados, ya que los desbordamientos pueden parecer variar su fuerza de unión tanto con la nanopartícula como con el sustrato de óxido semiconductor. Chandler denominó a esta "adsorción efervescente", describiendo el enlace difuso y pegajoso que oculta la verdadera adsorción y enmascara lo que está provocando el desbordamiento: energía térmica o entropía.

"Descubrimos cómo medir esa adsorción indirecta en un sistema diferente: oro sobre óxido de titanio", dijo Chandler, señalando que el oro cataliza el hidrógeno de manera diferente que muchos otros metales. “El oro casi no requiere energía térmica para iniciar una reacción con el hidrógeno, y solo activa esa reacción en la interfaz con el sustrato de óxido de titanio. Eso significa que no se adsorbe hidrógeno en el oro, por lo que podemos cuantificar todo el desbordamiento producido porque todo va al sustrato, sin dejar burbujas en el oro”.

Sin la efervescencia, los investigadores se dieron cuenta de que la adsorción era débil, lo que "contradecía lo que todo el mundo sabía", dijo Chandler. Sin la energía térmica como variable significativa, los investigadores determinaron que sólo la entropía podría impulsar los átomos del oro al sustrato.

"Tuvimos mucha suerte con nuestra elección del sistema, que seleccionamos porque ya estábamos interesados ​​en cómo funciona el oro como catalizador", dijo Chandler, explicando que investigadores anteriores podían medir la cantidad adsorbida con precisión porque la adsorción débil en el óxido enmascaraba la cantidad. de derrames del metal. “Nosotros no inventamos una nueva química; Acabamos de recopilar los datos. Nos llevó seis años medir y volver a medir (cuando haces una afirmación excepcional, es mejor tener evidencia excepcional), pero llenamos este vacío en nuestra comprensión: la entropía impulsa el desbordamiento de hidrógeno”.

Los investigadores dijeron que ahora planean investigar tipos de materiales que podrían facilitar un mejor almacenamiento de hidrógeno. Según Chandler, el trabajo es un paso hacia el desarrollo de energía limpia y un ejemplo sorprendente de cómo funciona el proceso científico.

"La ciencia es un proceso de autocorrección: si encuentras algo que no tiene sentido, trabajas para resolverlo", dijo Chandler. “Hace mucho tiempo que conocemos los efectos indirectos, pero nadie había encontrado el sistema adecuado para cuantificarlos y comprenderlos. Recopilamos los datos y descubrimos cómo explicar el fenómeno. Resulta que el equilibrio de energías que utilizamos no siempre es obvio y la entropía puede impulsar cosas que no esperamos”.

Los coautores del Departamento de Ingeniería Química de Penn State incluyen a Akbar Mahdavi-Shakib, un académico postdoctoral en el momento de la investigación; Tae Yong Yun, candidato a doctorado; Robert Rioux, profesor Friedrich G. Helfferich de ingeniería química. Otros coautores son Todd N. Whitaker y Lauren C. Rich, Trinity University; y KB Sravan Kumar, Shenguang Wang y Lars C. Grabow, Universidad de Houston. Whittaker también está afiliado a la Universidad de Colorado, Boulder.

El Programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y la Corporación de Investigación para el Avance de la Ciencia apoyaron este trabajo.

Facultad de Ingeniería de Relaciones con los Medios

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