Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) descubrieron un nuevo mecanismo que puede aumentar la eficiencia de la producción de hidrógeno mediante la división del agua.
Esta investigación, publicada en ACS Applied Materials & Interfaces, proporciona nuevos conocimientos sobre el comportamiento de la reactividad del agua y la transferencia de protones en condiciones de confinamiento extremo, sugiriendo posibles estrategias para mejorar el rendimiento de los electrocatalizadores en la producción de hidrógeno, protegiendo al mismo tiempo el catalizador de la degradación.
Junto con la Universidad de Columbia y la Universidad de California en Irvine, los científicos del LLNL desarrollaron una nueva estrategia para mejorar el equilibrio entre actividad y durabilidad de los electrocatalizadores encapsulando el catalizador con capas ultrafinas y porosas de dióxido de titanio.
El equipo de Columbia dirigido por Daniel Esposito informó anteriormente de que los óxidos nanoporosos que cubren las nanopartículas de platino podían mejorar la durabilidad del sistema sin comprometer la actividad catalítica.
Ello va contrariamente a lo que se suele pensar: cubrir la superficie del catalizador compromete gravemente la actividad catalítica. La estructura nanoporosa también parece mejorar la selectividad al favorecer las reacciones de división del agua frente a los procesos competidores.
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Detalles del estudio
Los científicos del LLNL utilizaron simulaciones avanzadas de dinámica molecular (DM) con un potencial de aprendizaje automático derivado de cálculos de primeros principios, que permite explorar la superficie de energía potencial y la cinética de reacción con una precisión extraordinaria a escalas fuera del alcance de los enfoques convencionales de primeros principios.
Las simulaciones revelaron que el agua confinada en nanoporos de menos de 0,5 nanómetros muestra una reactividad y unos mecanismos de transferencia de protones significativamente alterados. En concreto, el equipo observó que el confinamiento reduce la energía de activación del transporte de protones.
«Nuestros hallazgos demuestran que en entornos extremadamente confinados, la energía de activación para la disociación del agua se reduce, lo que conduce a eventos de transferencia de protones más frecuentes y al transporte rápido de protones», dijo Hyuna Kwon, científica de materiales en el Grupo de Simulaciones Cuánticas de LLNL y en el Laboratorio de Aplicaciones Energéticas para el Futuro (LEAF).
«Este conocimiento podría allanar el camino para optimizar los óxidos porosos para mejorar la eficiencia de los sistemas de producción de hidrógeno, mediante el ajuste de la porosidad y la química de la superficie de los óxidos», agregó.
