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| La ilustración muestra una reacción electroquímica que divide las moléculas de agua (a la derecha, con el átomo de oxígeno en rojo y dos átomos de hidrógeno en blanco) en moléculas de oxígeno (a la izquierda), que tiene lugar dentro de la estructura de los marcos orgánicos de hidróxido metálico del equipo, representados como las celosías en la parte superior e inferior. Crédito: Cortesía de los investigadores |
La reacción de evolución del oxígeno es esencial para fabricar productos químicos y portadores de energía utilizando electrones. Estos procesos incluyen la generación de hidrógeno como subproducto de la evolución del oxígeno.
Pero esta reacción requiere un material catalizador. Las versiones actuales de los catalizadores utilizan elementos raros y caros, como el iridio, lo que limita el potencial de esta producción de combustible. La comunidad ha hecho un gran esfuerzo por encontrar alternativas.
Investigadores del MIT y de otros lugares han desarrollado un tipo de material catalizador totalmente nuevo. Los científicos han bautizado su material como marco orgánico de hidróxido metálico (MHOF). El material utiliza componentes baratos y abundantes.
Gracias a la familia de materiales utilizados en el material, los científicos pueden ajustar con precisión la estructura y la composición del catalizador a las necesidades de un proceso químico concreto.
El profesor Yuriy Román-Leshkov declaró: "Otros equipos han explorado el uso de hidróxidos metálicos, como los hidróxidos de níquel-hierro. Pero estos 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 relevante es que hemos encontrado una forma de adaptar las propiedades mediante la nanoestructuración de estos hidróxidos metálicos de forma única".
Los científicos se han inspirado en investigaciones anteriores que se han realizado sobre una clase relacionada de compuestos conocidos como marcos metal-orgánicos (MOF). Sustituyendo el óxido metálico de estos materiales por determinados hidróxidos metálicos, el equipo descubrió que era posible crear materiales precisamente sintonizables que también tenían la estabilidad necesaria para ser potencialmente valiosos como catalizadores.
Román-Leshkov afirma: "Se colocan estas cadenas de estos enlazadores orgánicos una al lado de la otra, y dirigen la formación de láminas de hidróxido metálico que están interconectadas con estos enlazadores orgánicos, que luego se apilan y tienen mayor estabilidad. Esto tiene múltiples ventajas, ya que permite un control preciso del patrón nanoestructurado, permite un control preciso de las propiedades electrónicas del metal y también proporciona una mayor estabilidad, lo que les permite soportar largos periodos de uso".
Cuando se probó, el catalizador recién desarrollado mostró un rendimiento sorprendente. Es comparable a los materiales de óxido de última generación que catalizan la reacción de evolución del oxígeno.
El profesor Yang Shao-Horn dijo: "Esta familia de materiales ofrece un nuevo espacio para afinar los sitios activos para catalizar la división del agua y producir hidrógeno con un aporte de energía reducido".
El estudiante de posgrado del MIT Jiayu Peng dijo: "Los materiales pueden proporcionar una "sintonización cinco veces mayor" que los catalizadores existentes basados en el níquel, simplemente sustituyendo diferentes metales en lugar del níquel en el compuesto."
"Esto podría ofrecer muchas vías relevantes para futuros descubrimientos. Los materiales también pueden producirse en láminas extremadamente finas, que luego podrían recubrirse sobre otro material, reduciendo aún más los costes de material de tales sistemas."
Shao-Horn afirma: "Hasta ahora, los materiales se han probado en dispositivos de ensayo de laboratorio a pequeña escala, y el equipo está abordando ahora los problemas de intentar ampliar el proceso a escalas comercialmente relevantes, lo que aún podría llevar algunos años. Pero la idea tiene un gran potencial para ayudar a catalizar la producción de combustible de hidrógeno limpio y libre de emisiones, con el fin de abaratar el coste del hidrógeno a partir de este proceso sin verse limitado por la disponibilidad de metales preciosos. Esto es importante porque necesitamos tecnologías de producción de hidrógeno que puedan ampliarse".
Fuentes, créditos y referencias:
Shuai Yuan et al, Tunable metal hydroxide–organic frameworks for catalysing oxygen evolution, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01199-0
Fuente: MIT