Los científicos han creado un catalizador para producir hidrógeno a partir de amoníaco que se vuelve más activo con el tiempo, y el recuento de átomos revela cambios que aumentan la eficiencia del catalizador.

Un equipo de investigación de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, en colaboración con la Universidad de Birmingham y la Universidad de Cardiff, ha desarrollado un nuevo material que consiste en grupos de rutenio (Ru) de tamaño nanométrico anclados en carbono grafitizado. Estos nanoclusters de Ru reaccionan con moléculas de amoníaco, dividiéndolo en hidrógeno y nitrógeno, un paso necesario hacia la producción de hidrógeno verde. Esto ha sido publicado en importantes investigaciones. ciencia quimicaLa revista insignia de la Royal Society of Chemistry.

Con su alta densidad de energía volumétrica, el amoníaco es prometedor como portador de energía sin emisiones de carbono que puede impulsar una nueva economía sostenible en el futuro cercano. Deben encontrarse métodos rápidos y energéticamente eficientes para convertir el amoníaco en hidrógeno (H₂) y nitrógeno (N₂) según sea necesario. La desactivación del catalizador es común, pero es raro que un catalizador se vuelva más activo con el uso. Por lo tanto, comprender los mecanismos a nivel atómico detrás de los cambios en la actividad catalítica es fundamental para diseñar la próxima generación de catalizadores heterogéneos.

El Dr. Jassim Alves Fernández, profesor asociado de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham y codirector del equipo de investigación, explicó: “Los catalizadores tradicionales consisten en nanopartículas, en las que la mayoría de los átomos son inaccesibles a la reacción. Nuestro enfoque comienza con átomos individuales que se ensamblan en grupos de un tamaño deseado, de modo que podamos detener el crecimiento de los grupos cuando su huella alcance 2-3 nm cuadrados. En este trabajo, utilizamos este método para hacer crecer nanoclusters de rutenio directamente a partir de átomos sobre un soporte de carbono. “¿Qué?”

Los investigadores utilizaron pulverización catódica con magnetrón para crear un flujo de átomos metálicos para construir el catalizador. Esta técnica sin disolventes ni reactivos permite la formación de catalizadores limpios y altamente activos. Al maximizar la superficie del catalizador, este método garantiza una utilización altamente eficiente de elementos raros como el rutenio (Ru).

El Dr. Yifan Chen, investigador de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, dijo: “Nos sorprendió descubrir que la actividad de los nanoclusters de Ru en el carbono en realidad aumentó con el tiempo, lo cual es típico de los catalizadores durante su uso. Este interesante hallazgo no puede explicarse mediante métodos de análisis convencionales y, por lo tanto, desarrollamos un método de microscopía electrónica de transmisión de barrido para contar los átomos. Usando microscopía, mostramos una serie de cambios sutiles a nivel atómico a medida que cada nanocluster del catalizador pasaba por las distintas etapas de la reacción”.

Los investigadores descubrieron que los átomos de rutenio inicialmente deformados en la superficie del carbono se reorganizaban en nanopirámides truncadas con bordes escalonados. Las nanopirámides exhiben una estabilidad excepcional durante varias horas durante la reacción a altas temperaturas. Evolucionan continuamente para maximizar la densidad de los sitios activos, aumentando así la producción de hidrógeno a partir de amoníaco. Este comportamiento explica las propiedades únicas de autocuración del catalizador.

El profesor Andriy Khlobistov, de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, dijo: “Este descubrimiento marca una nueva dirección en el diseño de catalizadores al mostrar un sistema estable y autorreparable para producir hidrógeno a partir de amoníaco como fuente de energía verde. Tecnologías energéticas significativamente sostenibles, que respaldan la transición hacia un futuro sin emisiones de carbono”.

El descubrimiento marca un avance importante en la comprensión de los mecanismos nucleares de catálisis heterogénea para la producción de hidrógeno. Esto allana el camino para el desarrollo de catalizadores estables y altamente activos que utilizan metales raros de manera sostenible mediante el control de la estructura del catalizador a nanoescala.

La Universidad de Nottingham se dedica a promover tecnologías verdes y sostenibles. Recientemente se lanzó un grupo de carbono cero en East Midlands para acelerar el desarrollo y la implementación de innovaciones en industrias verdes y manufactura avanzada.

El trabajo fue financiado por la subvención del programa EPSRC ‘Átomos metálicos en superficies e interfaces (MASI) para un futuro sostenible’, cuyo objetivo es desarrollar materiales catalíticos para la transformación de tres moléculas clave: dióxido de carbono, hidrógeno y amoníaco. Economía y medio ambiente. El catalizador MASI está diseñado con eficiencia atómica para garantizar el uso sostenible de elementos químicos sin agotar el suministro de elementos de tierras raras, como el carbono y los metales básicos.

Fuente: ucodigital.com.ar