Se trata de un catalizador hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclados en un sustrato 2-D

El Consorcio de Investigación Avanzada de Materiales de Hidrógeno (HyMARC) ha desarrollado un nuevo material que puede ser clave para convertir el hidrógeno en combustible. Este nuevo catalizador podría acelerar de manera limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un portador químico líquido.

 «Presentamos no solo un catalizador con mayor actividad que otros catalizadores de níquel actuales, también una estrategia más amplia hacia el uso de metales asequibles en una amplia gama de reacciones», explica en un comunicado Jeff Urban, director de la instalación de nanoestructuras inorgánicas del HyMARC.

La investigación que ha culminado con el desarrollo de este nuevo material está firmada por 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.

Se trata de un proyecto conjunto de cinco laboratorios nacionales con un objetivo común: abordar las brechas científicas que bloquean el avance de los materiales de almacenamiento de hidrógeno sólido.

Así es el nuevo material que convierte hidrógeno en combustible

El material, un catalizador, está hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclado sobre un sustrato 2D. Sus creadores lo definen como «robusto» y explican que «está hecho de metales abundantes en la tierra en lugar de las opciones existentes hechas de metales preciosos, y ayudará a que el hidrógeno sea una fuente de energía viable para una amplia gama de aplicaciones».

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 vehículos 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 2D hecho de boro y nitrógeno diseñado 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 previno 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.

Material estable

En su catalizador, los investigadores lograron el objetivo de crear un material estable, relativamente económico y fácilmente disponible que ayuda a eliminar el hidrógeno de los vehículos líquidos para su uso como combustible. Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE para desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con los objetivos de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE y optimizar los materiales para su uso futuro en vehículos.

El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab perfeccionará aún más la estrategia de modificar los sustratos 2D de manera que admitan pequeños grupos de metales, para desarrollar catalizadores aún más eficientes. La técnica podría ayudar a optimizar el proceso de extracción de hidrógeno de vehículos químicos líquidos.