El hidrógeno es una fuente sostenible de energía limpia que evita las emisiones tóxicas y puede agregar valor a múltiples sectores de la economía, incluidos el transporte, la generación de energía, la fabricación de metales, entre otros. Las tecnologías para almacenar y transportar hidrógeno acortan la brecha entre la producción de energía sostenible y el uso de combustible y, por lo tanto, son un componente esencial de una economía viable del hidrógeno. Pero los medios tradicionales de almacenamiento y transporte son costosos y susceptibles de contaminación. Como resultado, los investigadores están buscando técnicas alternativas que sean confiables, de bajo costo y simples. Los sistemas de suministro de hidrógeno más eficientes beneficiarían a muchas aplicaciones, como las industrias de energía estacionaria, energía portátil y vehículos móviles.
Ahora, como se informa en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , los investigadores han diseñado y sintetizado un material eficaz para acelerar uno de los pasos limitantes en la extracción de hidrógeno de los alcoholes. El material, un catalizador, está hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclado sobre un sustrato 2D.
El equipo dirigido por investigadores de la Molecular Foundry del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que el catalizador podría acelerar de manera limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un portador químico líquido. 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 que el hidrógeno sea una fuente de energía viable para una amplia gama de aplicaciones.
“Presentamos aquí no solo un catalizador con mayor actividad que otros catalizadores de níquel que probamos, para un importante combustible de energía renovable, sino también una estrategia más amplia hacia el uso de metales asequibles en una amplia gama de reacciones”, dijo Jeff Urban , director del trabajo. La investigación es parte del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC), un consorcio financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Celdas de Combustible (EERE) del Departamento de Energía de EEUU. A través de este esfuerzo, cinco laboratorios nacionales trabajan hacia el objetivo de abordar las brechas científicas que bloquean el avance de los materiales de almacenamiento de hidrógeno sólido. Los resultados de este trabajo se incorporarán directamente a la visión H2 @ Scale de EERE para la producción, el almacenamiento, la distribución y la utilización asequibles de hidrógeno en múltiples sectores de la economía.
Los compuestos químicos que actúan como catalizadores como el desarrollado por Urban y su equipo se usan comúnmente para aumentar la velocidad de una reacción química sin que se consuma el compuesto en sí; pueden mantener una molécula en particular en una posición estable o servir como intermediario que permite que un paso importante se complete de manera confiable. Para la reacción química que produce hidrógeno a partir de vehículos líquidos, los catalizadores más efectivos están hechos de metales preciosos. Sin embargo, esos catalizadores están asociados con altos costos y poca abundancia, y son susceptibles a la contaminación. Otros catalizadores menos costosos, hechos de metales más comunes, tienden a ser menos efectivos y menos estables, lo que limita su actividad y su despliegue práctico en las industrias de producción de hidrógeno.
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 grupos diminutos y uniformes de níquel metálico. Los grupos pequeños son importantes porque maximizan la exposición de la superficie reactiva en una cantidad determinada de material. Pero también tienden a agruparse, lo que inhibe su reactividad.
La asistente de investigación postdoctoral Zhuolei Zhang y el científico del proyecto Ji Su, tanto en Molecular Foundry como coautores principales del artículo, diseñaron y realizaron un experimento que combatió la formación de grumos depositando racimos de níquel de 1,5 nanómetros de diámetro en un sustrato 2D hecho de boro y nitrógeno diseñado para albergar una red de hoyuelos a escala atómica. Los racimos de níquel se dispersaron uniformemente y se anclaron de forma segura en los hoyuelos. Este diseño no solo evitó la formación de grumos, sino que sus propiedades térmicas y químicas mejoraron enormemente el rendimiento general del catalizador al interactuar directamente con los grumos de níquel.
“Se ha descubierto que el papel de la superficie subyacente durante la etapa de formación y deposición de los conglomerados es fundamental y puede proporcionar pistas para comprender su papel en otros procesos”, dijo Urban.
Las mediciones detalladas de rayos X y espectroscopía, combinadas con cálculos teóricos, revelaron mucho sobre las superficies subyacentes y su papel en la catálisis. Utilizando herramientas en Advanced Light Source , una instalación para usuarios del DOE en Berkeley Lab, y métodos de modelado computacional, los investigadores identificaron cambios en las propiedades físicas y químicas de las láminas 2D, mientras que pequeños grupos de níquel ocupan regiones prístinas de las láminas e interactúan con los bordes cercanos, conservando así el diminuto tamaño de los racimos. Los grupos diminutos y estables facilitaron la acción en los procesos a través de los cuales el hidrógeno se separa de su vehículo 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 informado recientemente. David Prendergast, director de la Instalación de Teoría de Materiales Nanoestructurados en la Fundición Molecular, junto con la asistente de investigación postdoctoral y coautora principal Ana Sanz-Matias, utilizaron modelos y métodos computacionales para descubrir la estructura geométrica y electrónica única de los pequeños grupos de metales. Los átomos de metal desnudo, abundantes en estos pequeños cúmulos, atrajeron más fácilmente el portador líquido que las partículas metálicas más grandes. Estos átomos expuestos también facilitaron los pasos de la reacción química que elimina el hidrógeno del portador, al tiempo que evita la formación de contaminantes que pueden obstruir la superficie del grupo. Por lo tanto, el material permaneció libre de contaminación durante los pasos clave en la reacción de producción de hidrógeno.
“La contaminación puede hacer inviables posibles catalizadores de metales no preciosos. Nuestra plataforma aquí abre una nueva puerta para diseñar esos sistemas”, dijo Urban.
En su catalizador, los investigadores lograron el objetivo de crear un material estable, relativamente económico y fácilmente disponible que ayuda a eliminar el hidrógeno de los vehículos líquidos para su uso como combustible. Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE para desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con los objetivos de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE y optimizar los materiales para uso futuro en vehículos.
El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab perfeccionará aún más la estrategia de modificar los sustratos 2D de manera que admitan pequeños grupos de metales, para desarrollar catalizadores aún más eficientes. La técnica podría ayudar a optimizar el proceso de extracción de hidrógeno de vehículos químicos líquidos.
Molecular Foundry y Advanced Light Source son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE y la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE.
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02/01/2021