Los investigadores de la Universidad de Aalto, Finlandia, desarrollaron un prometedor catalizador de nanotubos de grafeno y carbono. El nuevo material da un mejor control sobre las reacciones químicas que son de gran importancia para producir combustible de hidrógeno.
Las celdas de combustible y los electrolizadores de agua que son baratos y eficientes formarán la piedra angular de una economía basada en el combustible de hidrógeno, que es una de las alternativas limpias y sostenibles más prometedoras a los combustibles fósiles.
Estas celdas para funcionar dependen de materiales llamados electrocatalizadores, por lo que el desarrollo de catalizadores eficientes y de bajo costo es esencial para hacer que el combustible de hidrógeno sea una alternativa viable. En ese orden de ideas, los investigadores de la universidad de Aalto han desarrollado un nuevo material catalizador para mejorar estas tecnologías.
La reacción de reducción de oxígeno (Oxygen Reduction Reaction, ORR, por sus siglas en inglés) y la reacción de evolución de oxígeno (Oxygen Evolution Reaction, OER, por sus siglas en inglés) son las reacciones electroquímicas más importantes que limitan la eficiencia de las celdas de combustible de hidrógeno (para alimentar vehículos y para la generación de energía), de los electrolizadores de agua (para la producción de hidrógeno limpio) y también limita las baterías de metal-aire de alta capacidad.
En ese sentido, los físicos y químicos de la Universidad de Aalto que colaboraron con investigadores del CNRS de Francia, Viena y Austria desarrollaron un nuevo catalizador que impulsa estas reacciones de manera más eficiente que otros catalizadores bifuncionales disponibles actualmente. Los investigadores también encontraron que la actividad electrocatalítica de su nuevo catalizador puede alterarse significativamente dependiendo de la elección del material sobre el que se depositó el catalizador.
“Queremos reemplazar los catalizadores tradicionales y escasos basados en metales preciosos como el platino y el iridio con alternativas altamente activas y estables compuestas de elementos económicos y abundantes en la tierra como metales de transición, carbono y nitrógeno”. dice el Dr. Mohammad Tavakkoli , el investigador de Aalto que dirigió el trabajo y escribió el documento.
En colaboración con el CNRS, el equipo produjo un catalizador híbrido de grafeno-nanotubos de carbono altamente poroso y lo dobló con átomos individuales de otros elementos conocidos por ser buenos catalizadores.
El grafeno y el nanotubo de carbono (CNT) son alótropos de carbono de un átomo de espesor de dos y unidimensionales, respectivamente, que han despertado un gran interés tanto en la academia como en la industria debido a sus excelentes propiedades en comparación con los materiales más tradicionales. Desarrollaron un método fácil y escalable para cultivar estos nanomateriales al mismo tiempo, combinando sus propiedades en un solo producto.
“Somos uno de los equipos líderes en el mundo para la síntesis escalable de nanotubos de carbono de doble pared. La innovación aquí fue modificar nuestro proceso de fabricación para preparar estas muestras únicas “, dijo el Dr. Emmanuel Flahut, director de investigación en CNRS.
En este proceso de un solo paso, también podrían dopar el grafeno con átomos individuales de nitrógeno y/o metálicos (cobalto y molibdeno) como una estrategia prometedora para producir catalizadores de un solo átomo (single-atom catalysts, SACs). En la ciencia de la catálisis, el nuevo campo de SACs con átomos metálicos aislados dispersos en soportes sólidos ha atraído una gran atención de investigación debido a la máxima eficiencia de utilización de átomos y las propiedades únicas de los SACs. En comparación con las estrategias rivales para hacer SACs, el método utilizado por el equipo de Aalto y CNRS proporciona un método fácil que tiene lugar en un solo paso, manteniendo los costos bajos.
Figura 1. Cómo se ven en un microscopio electrónico las placas y tubos largos de uva y CNT en el catalizador (Dr. Kimmo Mustonen / Universidad de Viena)
El sustrato del catalizador puede aumentar el rendimiento
Los catalizadores generalmente se depositan en un sustrato subyacente. Los investigadores generalmente descuidan el papel que este sustrato desempeña en la reactividad final del catalizador, sin embargo, para este nuevo catalizador, los investigadores descubrieron que el sustrato si realiza un papel importante en su eficiencia.
El equipo descubrió que la estructura porosa de su material permite acceder a catalizadores más activos formados en su interfaz con el sustrato, por lo que desarrollaron un nuevo método de análisis de microscopía electroquímica para medir cómo esta interfaz podría contribuir a catalizar la reacción y producir el catalizador más efectivo. Esperan que su estudio de los efectos del sustrato sobre la actividad catalítica de los materiales porosos establezca una base para el diseño racional de electrodos de alto rendimiento para los dispositivos de energía electroquímica y proporcione pautas para futuros estudios.
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