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2021-09-07Hacer más activas las superficies catalíticas para ayudar a descarbonizar los combustibles y los productos químicos

MIT |Un nuevo enfoque aumenta la eficiencia de las reacciones químicas que son clave para muchos procesos industriales.

Las reacciones electroquímicas que se aceleran mediante catalizadores son la base de muchos procesos de fabricación y uso de combustibles, productos químicos y materiales, incluido el almacenamiento de electricidad procedente de fuentes de energía renovables en enlaces químicos, una capacidad importante para descarbonizar los combustibles para el transporte. Ahora, una investigación del MIT podría abrir la puerta a formas de hacer que ciertos catalizadores sean más activos y, por tanto, de mejorar la eficiencia de dichos procesos.

Mediante un nuevo proceso de producción se obtuvieron catalizadores que quintuplicaban la eficacia de las reacciones químicas, lo que podría permitir nuevos procesos útiles en bioquímica, química orgánica, química medioambiental y electroquímica. Los hallazgos se describen hoy en la revista Nature Catalysis, en un artículo de Yang Shao-Horn, profesor del MIT de ingeniería mecánica y de ciencia e ingeniería de materiales, y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE); Tao Wang, postdoctorado en el RLE; Yirui Zhang, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica; y otras cinco personas.

El proceso consiste en añadir una capa de lo que se denomina líquido iónico entre un catalizador de oro o platino y una materia prima química. Los catalizadores producidos con este método podrían permitir una conversión mucho más eficiente del combustible de hidrógeno para alimentar dispositivos como las pilas de combustible, o una conversión más eficiente del dióxido de carbono en combustibles.

"Hay una necesidad urgente de descarbonizar la forma en que alimentamos el transporte más allá de los vehículos ligeros, cómo fabricamos combustibles y cómo fabricamos materiales y productos químicos", dice Shao-Horn, haciendo hincapié en el apremiante llamamiento a reducir las emisiones de carbono que destaca el último informe del IPCC sobre el cambio climático. Este nuevo enfoque para mejorar la actividad catalítica podría suponer un paso importante en esa dirección, afirma.

El uso de hidrógeno en dispositivos electroquímicos como las pilas de combustible es un enfoque prometedor para la descarbonización de campos como la aviación y los vehículos pesados, y el nuevo proceso podría ayudar a hacer prácticos esos usos. En la actualidad, la reacción de reducción de oxígeno que alimenta estas pilas de combustible está limitada por su ineficiencia. Los intentos anteriores de mejorar esa eficiencia se han centrado en la elección de distintos materiales para los catalizadores o en la modificación de la composición y la estructura de su superficie.

En esta investigación, sin embargo, en lugar de modificar las superficies sólidas, el equipo añadió una fina capa entre el catalizador y el electrolito, el material activo que participa en la reacción química. Descubrieron que la capa de líquido iónico regula la actividad de los protones que ayudan a aumentar la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en la interfaz.

Dado que existe una gran variedad de líquidos iónicos de este tipo, es posible "ajustar" la actividad de los protones y la velocidad de las reacciones para que coincidan con la energía necesaria para los procesos que implican la transferencia de protones, que pueden utilizarse para fabricar combustibles y productos químicos mediante reacciones con el oxígeno.

"La actividad protónica y la barrera para la transferencia de protones se rigen por la capa de líquido iónico, por lo que existe una gran capacidad de ajuste en términos de actividad catalítica para las reacciones que implican la transferencia de protones y electrones", afirma Shao-Horn. Además, el efecto se produce gracias a una capa de líquido muy fina, de unos pocos nanómetros de grosor, sobre la que hay una capa mucho más gruesa del líquido que va a sufrir la reacción.

"Creo que este concepto es novedoso e importante", dice Wang, primer autor del trabajo, "porque la gente sabe que la actividad de los protones es importante en muchas reacciones electroquímicas, pero es muy difícil de estudiar". Esto se debe a que en un entorno acuático hay tantas interacciones entre las moléculas de agua vecinas que es muy difícil separar las reacciones que tienen lugar. Al utilizar un líquido iónico, cuyos iones sólo pueden formar un único enlace con el material intermedio, fue posible estudiar las reacciones en detalle, utilizando la espectroscopia de infrarrojos.

Como resultado, Wang afirma: "Nuestro hallazgo pone de relieve el papel crítico que pueden desempeñar los electrolitos interfaciales, en particular el enlace de hidrógeno intermolecular, en la mejora de la actividad del proceso electrocatalítico. También aporta conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de transferencia de protones a nivel de mecánica cuántica, que pueden ampliar las fronteras del conocimiento de cómo interactúan los protones y los electrones en las interfaces catalíticas."

"El trabajo también es emocionante porque da a la gente un principio de diseño sobre cómo pueden afinar los catalizadores", dice Zhang. "Necesitamos algunas especies justo en un punto dulce -ni demasiado activo ni demasiado inerte- para mejorar la velocidad de reacción".

Con algunas de estas técnicas, dice Reshma Rao, recién doctorada en el MIT y ahora posdoctorada en el Imperial College de Londres, que también es coautora del artículo, "vemos un aumento de la actividad de hasta cinco veces. Creo que lo más emocionante de esta investigación es la forma en que abre toda una nueva dimensión en la forma en que pensamos sobre la catálisis". El campo se había topado con "una especie de obstáculo", dice, a la hora de encontrar formas de diseñar mejores materiales. Al centrarse en la capa líquida en lugar de en la superficie del material, "se trata de una forma totalmente diferente de ver este problema, y abre una dimensión totalmente nueva, un eje totalmente nuevo a lo largo del cual podemos cambiar las cosas y optimizar algunas de estas tasas de reacción".

En el equipo también participaron Botao Huang, Bin Cai y Livia Giordano, del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, y Shi-Gang Sun, de la Universidad de Xiamen (China). El trabajo contó con el apoyo del Instituto de Investigación Toyota, y utilizó el Entorno de Ciencia e Ingeniería Extremas de la Fundación Nacional de la Ciencia.

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