Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha logrado avances significativos en la comprensión de los materiales clave para la producción y utilización eficiente del hidrógeno. Utilizando un potente haz de rayos X, el equipo ha descifrado detalles hasta ahora desconocidos que podrían revolucionar el sector del hidrógeno.
El hidrógeno, como señala Hoydoo You, físico senior de Argonne, es el material de almacenamiento de energía más ligero y puede producirse a partir de agua utilizando energía renovable o energía excedente. Puede ser transportado como combustible y luego convertido de nuevo a agua para producir energía para los consumidores. El platino y sus aleaciones son ideales para catalizar y potenciar el proceso de división del agua, acelerando el intercambio de electrones.
Para obtener una economía de hidrógeno eficaz, es crucial desarrollar materiales que permitan una producción y uso eficientes de este elemento. Los investigadores han dado un primer paso en la creación de una herramienta que les permita caracterizar estos materiales con un nuevo nivel de detalle, con el objetivo de producir los mejores materiales para la producción y uso del hidrógeno.
El equipo de investigación hizo uso de la Fuente de Fotones Avanzada (APS), una instalación de usuario del DOE en Argonne. En el APS, dirigieron un intenso haz de rayos X a un solo grano de platino. Recogieron los patrones de difracción de ese grano en un detector de rayos X y los convirtieron en imágenes de la muestra utilizando algoritmos informáticos personalizados.
Para controlar la reacción química en el grano de platino y producir hidrógeno en un electrolizador, se utilizó una célula química de nanogota creada con la punta de una pipeta microscópica. Un electrolizador es un dispositivo que produce combustible de hidrógeno a partir de agua utilizando electricidad. En su operación inversa, conocido como pila de combustible, el dispositivo convierte el combustible de hidrógeno de nuevo en electricidad.
La reacción fue controlada aplicando un voltaje, dirigido a través de un electrolito en la nano-pipeta, sobre el grano que se estaba estudiando. Matt Highland, físico de Argonne, diseñó el prototipo inicial de esta nueva herramienta. Este prototipo permitió la investigación de un solo nanograin y abrió la puerta para la capacidad de escaneo en todos los granos de un electrolizador o pila de combustible realista cuando se complete la actualización del APS.
Los físicos de Argonne, Ross Harder y Wonsuk Cha, trabajaron en la línea de luz APS 34-ID-C, donde se realizaron los experimentos, y ayudaron con la integración de la nueva herramienta de electroquímica en el instrumento existente.
Actualmente, el APS ofrece haces de rayos X que son hasta mil millones de veces más brillantes que los utilizados por un dentista. Sin embargo, una actualización significativa hará que el APS sea aún más potente. Cuando la APS actualizada entre en línea en 2024, sus haces de rayos X serán hasta 500 veces más brillantes que hoy. Esto significa que técnicas como la utilizada en esta investigación mejorarán aún más después de la actualización.
Según Harder, la actualización del APS permitirá observar en tiempo real los procesos que ocurren en los materiales. Los tiempos de medición podrían ser lo suficientemente rápidos para pasar de una partícula a otra, proporcionando una visión más clara de cómo interactúan con el entorno electroquímico y entre ellas.
En este sentido, Dina Sheyfer, física asistente de Argonne, señala que procesos importantes como la carga de baterías y la corrosión requieren la visualización en tiempo real de los granos para entender completamente el proceso. “Creemos que el aumento de brillo del APS tras la actualización, junto con nuestra nueva herramienta, permitirá estudios que hoy solo podemos soñar”, sostiene.
Este avance en el estudio y la manipulación de los materiales para la producción y uso del hidrógeno es crucial para el desarrollo de una economía de hidrógeno eficiente. El equipo de Argonne está a la vanguardia en este campo, utilizando la última tecnología para acelerar y optimizar el proceso de producción de hidrógeno.
Al mejorar nuestra comprensión de cómo los materiales como el platino y sus aleaciones aceleran el proceso de división del agua, podemos perfeccionar este proceso y hacer que la producción de hidrógeno sea más eficiente y menos costosa. Este avance promete hacer que el hidrógeno sea una opción de combustible más atractiva para el transporte y la industria, lo que podría tener un impacto significativo en nuestra capacidad para reducir las emisiones de carbono en el futuro.
En resumen, los resultados obtenidos por el equipo del Laboratorio Nacional Argonne son un paso crucial en la búsqueda de fuentes de energía más limpias y eficientes. A medida que seguimos lidiando con los efectos del cambio climático, los avances como este ofrecen esperanza y orientación para el camino a seguir en el desarrollo de tecnologías de energía sostenible.
Referencia: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01015
