Descubren un interruptor oculto en nanocatalizadores de plata que mejora la generación de energía

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Seúl realizó un descubrimiento significativo en el ámbito de la energía limpia al identificar que los nanocatalizadores de plata pueden alternar sus funciones de reacción según el uso de celdas de óxido sólido, ya sea para generar electricidad o hidrógeno. Este hallazgo abre nuevas posibilidades para el diseño de catalizadores más eficientes, lo que podría potenciar la generación de energía limpia y la producción de hidrógeno verde.

El estudio fue liderado por los profesores WooChul Jung y Jeong Woo Han del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería de la Universidad Nacional de Seúl, en colaboración con el equipo del profesor Sang Ouk Kim de KAIST y el Dr. Beomgyun Jeong del Korea Basic Science Institute. Sus resultados, publicados en la prestigiosa revista Energy & Environmental Science, revelan que tanto la ubicación como el mecanismo de las reacciones de oxígeno cambian dependiendo del uso de la celda.

Funcionamiento de las celdas de óxido sólido

Las celdas de óxido sólido son capaces de mover iones de oxígeno a través de un material sólido para cumplir dos funciones diferentes: generar electricidad o dividir agua para producir hidrógeno. Debido a esta versatilidad, se consideran una opción clave para expandir el uso de energía limpia y de hidrógeno.

El rendimiento y la durabilidad de estas celdas dependen en gran medida de la rapidez con la que ocurren las reacciones de oxígeno en el electrodo de aire. Sin embargo, las estructuras complicadas de los electrodos reales dificultan la identificación precisa de cómo y dónde los nanocatalizadores participan en esas reacciones.

Investigaciones anteriores habían demostrado que los nanocatalizadores metálicos mejoran el funcionamiento de estas celdas, pero no estaba claro si la actividad catalítica se producía en la superficie del catalizador o en la interfaz donde este se encuentra con el electrodo. Para abordar estas cuestiones, el equipo desarrolló un modelo de electrodo con una estructura y composición controladas, lo que les permitió examinar los roles catalíticos con mayor precisión.

El equipo comparó varios nanocatalizadores metálicos, incluyendo plata, cobalto, paladio y platino, depositándolos sobre un electrodo de óxido de perovskita. La plata demostró ser el metal que más mejoró la actividad catalítica.

Interrupción de los sitios de reacción

Los investigadores variaron el tamaño y la disposición de las nanopartículas de plata para determinar los sitios más importantes de reacción. Durante la reacción de reducción de oxígeno, los índices de reacción aumentaron conforme aumentaba la longitud de la interfaz entre las nanopartículas de plata y el electrodo, lo que evidenció que esta interfaz es el principal sitio de reacción cuando la celda genera electricidad.

En contraste, durante la reacción de evolución de oxígeno, los índices de reacción aumentaron con el área superficial de las nanopartículas de plata, indicando que la superficie de las partículas se convierte en el sitio principal de reacción para la producción de hidrógeno.

Este hallazgo demuestra que el mismo nanocatalizador puede realizar su química más importante en dos lugares diferentes, dependiendo de la dirección en la que opera el dispositivo energético.

Los investigadores también ajustaron el voltaje aplicado y la concentración de oxígeno, observando que durante la reducción de oxígeno, los nanocatalizadores de plata ayudan a transferir electrones al oxígeno, mientras que durante la evolución de oxígeno, facilitan la combinación de átomos de oxígeno en moléculas de oxígeno.

Un nuevo enfoque para catalizadores de energía limpia

Los resultados sugieren que los nanocatalizadores no deben ser considerados simplemente como aditivos que aceleran reacciones químicas, sino que sus ubicaciones activas y mecanismos operativos pueden cambiar según el modo de funcionamiento del sistema energético. Esta comprensión introduce una nueva estrategia de diseño para las celdas de óxido sólido, donde se podría mejorar el rendimiento al optimizar por separado la superficie del catalizador y la interfaz del electrodo.

Si este principio se incorpora exitosamente en dispositivos prácticos, podría mejorar la eficiencia de generación de electricidad en sistemas energéticos distribuidos y reducir la electricidad requerida para la electrólisis de agua impulsada por energías renovables, facilitando así la producción de hidrógeno verde.

Además, este enfoque podría avanzar en el desarrollo de celdas de óxido sólido reversibles, capaces de generar electricidad y producir hidrógeno en el mismo sistema, contribuyendo a una producción y almacenamiento energético más eficiente en hogares y fábricas.

El profesor WooChul Jung destacó la importancia de esta investigación al afirmar que "evalúa cuantitativamente el rendimiento de los nanocatalizadores, identificando sus sitios de reacción y mecanismos operativos". El Dr. Jinwook Kim, quien lideró el estudio, continuará investigando los nanocatalizadores y las celdas de óxido sólido, con el objetivo de desarrollar materiales y dispositivos de conversión de energía de alta eficiencia.

Esta investigación fue apoyada por el Ministerio de Ciencia y TIC y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.