Crear una economía de hidrógeno no es una tarea fácil, pero los ingenieros de la Universidad de Rice han descubierto un método que podría hacer que la catálisis de evolución de oxígeno en ácidos, uno de los temas más desafiantes en la electrólisis del agua para producir combustibles de hidrógeno limpio, sea más económica y práctica.
El laboratorio del ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice reemplazó el raro y costoso iridio con rutenio, un metal precioso mucho más abundante, como catalizador de electrodo positivo en un reactor que divide el agua en hidrógeno y oxígeno. .
La adición exitosa del laboratorio de níquel al dióxido de rutenio (RuO2) resultó en un catalizador de ánodo robusto que produjo hidrógeno a partir de la electrólisis del agua durante miles de horas en condiciones ambientales.
«Hay un gran interés de la industria en el hidrógeno limpio», dijo Wang. «Es un vector de energía importante y también importante para la fabricación de productos químicos, pero su producción actual contribuye con una parte significativa de las emisiones de carbono en el sector de fabricación de productos químicos a nivel mundial. Queremos producirlo de una manera más sostenible, y la división del agua con electricidad limpia es ampliamente reconocida como la opción más prometedora».
El iridio cuesta aproximadamente ocho veces más que el rutenio, dijo, y podría representar del 20% al 40% del gasto en la fabricación de dispositivos comerciales, especialmente en implementaciones futuras a gran escala.
El proceso desarrollado por Wang, el asociado postdoctoral de Rice Zhen-Yu Wu y el estudiante graduado Feng-Yang Chen, y colegas de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Virginia se detalla en Materiales de la naturaleza.
La división del agua involucra las reacciones de evolución de oxígeno e hidrógeno mediante las cuales los catalizadores polarizados reorganizan las moléculas de agua para liberar oxígeno e hidrógeno. «El hidrógeno es producido por el cátodo, que es un electrodo negativo», dijo Wu. «Al mismo tiempo, tiene que equilibrar la carga oxidando el agua para generar oxígeno en el lado del ánodo».
«El cátodo es muy estable y no representa un gran problema, pero el ánodo es más propenso a la corrosión cuando se usa un electrolito ácido», dijo Chen. «Los metales de transición de uso común como el manganeso, el hierro, el níquel y el cobalto se oxidan y se disuelven en el electrolito.
«Es por eso que el único material práctico utilizado en los electrolizadores de agua de membrana de intercambio de protones comerciales es el iridio», dijo. «Es estable durante decenas de miles de horas, pero es muy caro».
El laboratorio de Wang se dispuso a encontrar un reemplazo y se decidió por el dióxido de rutenio por su actividad conocida, dopándolo con níquel, uno de los varios metales probados.
Los investigadores demostraron que RuO ultrapequeño y altamente cristalino2 Las nanopartículas con dopantes de níquel, utilizadas en el ánodo, facilitaron la división del agua durante más de 1000 horas a una densidad de corriente de 200 miliamperios por centímetro cuadrado con una degradación insignificante.
Probaron sus ánodos contra otros de dióxido de rutenio puro que catalizaban la electrólisis del agua durante unos cientos de horas antes de comenzar a descomponerse.
El laboratorio está trabajando para mejorar su catalizador de rutenio para que encaje en los procesos industriales actuales. «Ahora que hemos alcanzado este hito de estabilidad, nuestro desafío es aumentar la densidad de corriente al menos entre cinco y diez veces mientras mantenemos este tipo de estabilidad», dijo Wang. «Esto es muy desafiante, pero aún posible».
Él ve la necesidad como urgente. «La producción anual de iridio no nos ayudará a producir la cantidad de hidrógeno que necesitamos hoy», dijo Wang. «Incluso usar todo el iridio producido a nivel mundial simplemente no generará la cantidad de hidrógeno que necesitaremos si queremos que se produzca a través de la electrólisis del agua.
«Eso significa que no podemos confiar completamente en el iridio», dijo. «Tenemos que desarrollar nuevos catalizadores para reducir su uso o eliminarlo del proceso por completo».
Boyang Li de la Universidad de Pittsburgh es coautor principal del artículo. Los coautores son el estudiante graduado de Rice Peng Zhu; estudiante de posgrado Shen-Wei Yu en Virginia; el físico Zou Finfrock del Laboratorio Nacional de Argonne; la científica Debora Motta Meira de Argonne y Canadian Light Source; el ex alumno de Virginia Zhouyang Yin; y Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song y Hai-Wei Liang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei. Los coautores correspondientes son Sen Zhang, profesor asociado de química en Virginia, y Guofeng Wang, profesor de ciencia mecánica y de materiales en Pittsburgh. Haotian Wang es el presidente del consejo de administración de William Marsh en Rice y profesor asistente de ingeniería química y biomolecular.
La investigación fue apoyada por la Fundación Welch (C-2051-20200401), la Fundación David y Lucile Packard (2020-71371), un Premio de Desarrollo Docente Roy E. Campbell, la Fundación Nacional de Ciencias (1905572, 2004808), la Universidad de Centro de Pittsburgh para la Informática de Investigación y la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional de Argonne.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de arroz. Original escrito por Mike Williams. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
