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Un nuevo nanomaterial de diseño ayuda a obtener hidrógeno de un portador de energía líquido, en un paso clave hacia una fuente de combustible estable y limpia.

El material, un catalizador, está hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclados en un sustrato 2-D. El equipo dirigido por investigadores de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que el catalizador podría acelerar de manera limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un portador químico líquido.

El material es robusto y está hecho de metales abundantes en la tierra en lugar de las opciones existentes hechas de metales preciosos.

“Presentamos aquí no solo un catalizador con mayor actividad que otros catalizadores de níquel que probamos, para un importante combustible de energía renovable, sino también una estrategia más amplia hacia el uso de metales asequibles en una amplia gama de reacciones”, dijo en un comunicado Jeff Urban, dirertor de la instalación de nanoestructuras inorgánicas, que dirigió el trabajo, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

La investigación es parte del Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC), un consorcio financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de la Oficina de Tecnologías de Pulas de Combustible e Hidrógeno (EERE) del Departamento de Energía de EE.UU. A través de este esfuerzo, cinco laboratorios nacionales trabajan hacia el objetivo de abordar las brechas científicas que bloquean el avance de los materiales de almacenamiento de hidrógeno sólido.

Los compuestos químicos que actúan como catalizadores como el desarrollado por Urban y su equipo se usan comúnmente para aumentar la velocidad de una reacción química sin que se consuma el compuesto en sí; pueden mantener una molécula en particular en una posición estable o servir como intermediario que permite que un paso importante se complete de manera confiable.

Para la reacción química que produce hidrógeno a partir de los portadores líquidos, los catalizadores más efectivos están hechos de metales preciosos. Sin embargo, esos catalizadores están asociados con altos costos y poca abundancia, y son susceptibles a la contaminación. Otros catalizadores menos costosos, hechos de metales más comunes, tienden a ser menos efectivos y menos estables, lo que limita su actividad y su despliegue práctico en las industrias de producción de hidrógeno.

Para mejorar el rendimiento y la estabilidad de estos catalizadores a base de metales abundantes en la tierra, Urban y sus colegas modificaron una estrategia que se centra en grupos diminutos y uniformes de níquel metálico. Los grupos pequeños son importantes porque maximizan la exposición de la superficie reactiva en una cantidad determinada de material. Pero también tienden a agruparse, lo que inhibe su reactividad.

La asistente de investigación postdoctoral Zhuolei Zhang y el científico del proyecto Ji Su, tanto en Molecular Foundry como coautores principales del artículo, diseñaron y realizaron un experimento que combatió la formación de grumos depositando racimos de níquel de 1,5 nanómetros de diámetro en un sustrato bidimensional hecho de boro y nitrógeno diseñados para albergar una red de hoyuelos a escala atómica. Los racimos de níquel se dispersaron uniformemente y se anclaron de forma segura en los hoyuelos.

Este diseño no solo evitó la formación de grumos, sino que sus propiedades térmicas y químicas mejoraron enormemente el rendimiento general del catalizador al interactuar directamente con los grumos de níquel. “Se ha descubierto que el papel de la superficie subyacente durante la etapa de formación y deposición de cúmulos es fundamental y puede proporcionar pistas para comprender su papel en otros procesos”, dijo Urban.

Las mediciones detalladas de rayos X y espectroscopía, combinadas con cálculos teóricos, revelaron mucho sobre las superficies subyacentes y su papel en la catálisis. Utilizando herramientas en Advanced Light Source y métodos de modelado computacional, los investigadores identificaron cambios en las propiedades físicas y químicas de las láminas 2-D mientras se formaban y depositaban pequeños racimos de níquel sobre ellas. El equipo propuso que el material se forma mientras que los grupos de metal ocupan regiones vírgenes de las láminas e interactúan con los bordes cercanos, preservando así el diminuto tamaño de los racimos.