Una reacción electroquímica que divide las moléculas de agua para producir oxígeno está en el centro de múltiples enfoques que apuntan a producir combustibles alternativos para el transporte. Pero esta reacción tiene que ser facilitada por un material catalizador, y las versiones actuales requieren el uso de elementos raros y costosos como el iridio, lo que limita el potencial de producción de dicho combustible.
Ahora, los investigadores del MIT y de otros lugares han desarrollado un tipo completamente nuevo de material catalizador, llamado marco orgánico de hidróxido de metal (MHOF), que está hecho de componentes económicos y abundantes. La familia de materiales permite a los ingenieros ajustar con precisión la estructura y composición del catalizador a las necesidades de un proceso químico en particular, y luego puede igualar o superar el rendimiento de los catalizadores convencionales más costosos.
Los hallazgos se describen en la revista. Materiales de la naturalezaen un artículo del posdoctorado del MIT Shuai Yuan, el estudiante graduado Jiayu Peng, el profesor Yang Shao-Horn, el profesor Yuriy Román-Leshkov y otros nueve.
Las reacciones de evolución de oxígeno son una de las reacciones comunes a la producción electroquímica de combustibles, productos químicos y materiales. Estos procesos incluyen la generación de hidrógeno como subproducto de la evolución del oxígeno, que puede usarse directamente como combustible o sufrir reacciones químicas para producir otros combustibles para el transporte; la fabricación de amoníaco, para su uso como fertilizante o materia prima química; y reducción de dióxido de carbono para controlar las emisiones.
Pero sin ayuda, «estas reacciones son lentas», dice Shao-Horn. «Para una reacción con cinética lenta, debe sacrificar voltaje o energía para promover la velocidad de reacción». Debido a la entrada de energía adicional requerida, «la eficiencia general es baja. Es por eso que la gente usa catalizadores», dice, ya que estos materiales promueven naturalmente las reacciones al reducir la entrada de energía.
Pero hasta ahora, estos catalizadores «dependen todos de materiales costosos o metales de transición tardía que son muy escasos, por ejemplo, el óxido de iridio, y ha habido un gran esfuerzo en la comunidad para encontrar alternativas basadas en materiales abundantes en la Tierra que tengan el mismo desempeño en términos de actividad y estabilidad», dice Román-Leshkov. El equipo dice que han encontrado materiales que proporcionan exactamente esa combinación de características.
Otros equipos han explorado el uso de hidróxidos metálicos, como los hidróxidos de níquel-hierro, dice Román-Leshkov. Pero tales materiales han sido difíciles de adaptar a los requisitos de aplicaciones específicas. Ahora, sin embargo, «la razón por la que nuestro trabajo es bastante emocionante y bastante relevante es que hemos encontrado una forma de adaptar las propiedades mediante la nanoestructuración de estos hidróxidos metálicos de una manera única».
El equipo tomó prestado de la investigación que se ha realizado en una clase relacionada de compuestos conocidos como estructuras metal-orgánicas (MOF), que son un tipo de estructura cristalina hecha de nodos de óxido de metal unidos entre sí con moléculas enlazadoras orgánicas. Al reemplazar el óxido metálico en dichos materiales con ciertos hidróxidos metálicos, el equipo descubrió que era posible crear materiales sintonizables con precisión que también tenían la estabilidad necesaria para ser potencialmente útiles como catalizadores.
«Pones estas cadenas de estos enlazadores orgánicos uno al lado del otro, y en realidad dirigen la formación de láminas de hidróxido de metal que están interconectadas con estos enlazadores orgánicos, que luego se apilan y tienen una mayor estabilidad», dice Román-Leshkov. Esto tiene múltiples beneficios, dice, al permitir un control preciso sobre el patrón nanoestructurado, lo que permite un control preciso de las propiedades electrónicas del metal y también brinda una mayor estabilidad, lo que les permite resistir largos períodos de uso.
Al probar tales materiales, los investigadores encontraron que el rendimiento de los catalizadores era «sorprendente», dice Shao-Horn. «Es comparable a la de los materiales de óxido de última generación que catalizan la reacción de evolución del oxígeno».
Al estar compuestos en gran parte de níquel y hierro, estos materiales deberían ser al menos 100 veces más baratos que los catalizadores existentes, dicen, aunque el equipo aún no ha realizado un análisis económico completo.
Esta familia de materiales «realmente ofrece un nuevo espacio para ajustar los sitios activos para catalizar la división del agua para producir hidrógeno con un aporte de energía reducido», dice Shao-Horn, para satisfacer las necesidades exactas de cualquier proceso químico en el que se necesiten tales catalizadores.
Los materiales pueden proporcionar «cinco veces mayor capacidad de ajuste» que los catalizadores existentes a base de níquel, dice Peng, simplemente sustituyendo el níquel por diferentes metales en el compuesto. «Esto ofrecería potencialmente muchas vías relevantes para futuros descubrimientos». Los materiales también se pueden producir en láminas extremadamente delgadas, que luego se pueden recubrir sobre otro material, lo que reduce aún más los costos de material de dichos sistemas.
Hasta ahora, los materiales se han probado en dispositivos de prueba de laboratorio a pequeña escala, y el equipo ahora está abordando los problemas de tratar de ampliar el proceso a escalas comercialmente relevantes, lo que aún podría llevar algunos años. Pero la idea tiene un gran potencial, dice Shao-Horn, para ayudar a catalizar la producción de combustible de hidrógeno limpio y libre de emisiones, de modo que «podemos reducir el costo del hidrógeno de este proceso sin estar limitados por la disponibilidad de metales preciosos». Esto es importante, porque necesitamos tecnologías de producción de hidrógeno que puedan escalar».
El equipo de investigación incluyó a otros en el MIT, la Universidad de Estocolmo en Suecia, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y el Instituto de Investigación de Materiales y Física de Haces de Iones en Dresden, Alemania. El trabajo fue apoyado por el Instituto de Investigación de Toyota.
