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La investigación de fuentes de energía nuevas, eficaces, renovables y limpias es una máxima prioridad a medida que aumenta la demanda mundial de energía. Menos del 40% de las necesidades energéticas del mundo se satisfacen actualmente con fuentes de energía renovables como la solar, la eólica, la mareomotriz y la geotérmica. El mundo necesita mejorar las soluciones existentes de energía renovable o encontrar soluciones efectivas para reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
El hidrógeno es una alternativa viable, pero actualmente se produce mediante un reformado con vapor ineficiente y produce CO.2 como subproducto. La división electroquímica del agua, comúnmente conocida como electrólisis del agua, es un método potencialmente eficaz para producir hidrógeno.
La división del agua requiere un proceso conocido como reacción de evolución de hidrógeno (HER). Sin embargo, los nanocatalizadores involucrados en este HER carecen de un tamaño, composición, estructura y entorno de coordinación química consistentes para aumentar la eficiencia y ampliar el conocimiento del mecanismo de reacción. La solución podría estar en nanoclusters de oro atómicamente precisos.
Los investigadores describen trabajos anteriores que examinan cómo los nanoclusters de oro podrían aumentar la actividad catalítica y promover HER en una revisión de la literatura publicada en Polioxometalatos el 19 de agostoTh2023.
Es extremadamente difícil obtener un catalizador modelo con un tamaño absolutamente uniforme, una configuración geométrica única y un entorno químico local bien definido a nivel anatómico para establecer una relación estructura-rendimiento única a nivel atómico. Los nanoclusters de oro atómicamente precisos pueden potencialmente resolver estos problemas. En particular, los nanoclusters de oro han demostrado propiedades catalíticas excepcionales en diversas reacciones orgánicas y reacciones electrocatalíticas.
Zhenghua Tang, investigador, Instituto de Investigación de Nuevas Energías, Universidad Tecnológica del Sur de China
Los nanoclusters de oro son ideales como catalizadores de HER por varias razones. A diferencia de otros nanocatalizadores, los nanoclusters de oro tienen una nanoestructura perfecta. Debido a esta estructura perfecta, todos los nanoclusters de oro tienen el mismo tamaño, composición, forma y entorno químico. También es útil para determinar los sitios activos de la catálisis de HER. Las altas reactividades químicas de los nanoclusters de oro permiten la adaptación del núcleo metálico, así como la ingeniería de ligandos de superficie.
En la confección de núcleos metálicos, se añade otro metal a un nanocluster de oro, lo que da como resultado un cluster de aleación de oro. El uso de un metal diferente puede proporcionar nuevas propiedades catalíticas y al mismo tiempo reducir costos. La ingeniería de ligandos de superficie es el proceso de ajustar el entorno químico de la superficie para exponer más sitios activos o cambiar la forma del nanocluster.
Finalmente, los nanoclusters de oro ofrecen otras ventajas estructurales, como: B. un tamaño ultrapequeño que cumpla el principio “lo pequeño es precioso” en el sector de la catálisis; morfología que puede optimizarse y controlarse; y fuerte estabilidad, manteniendo toda la estructura en diversas reacciones en condiciones suaves.
Tang añadió: “Los casos presentados en esta revisión demuestran claramente que a menudo se logran propiedades catalíticas excepcionales de HER debido a las distintas ventajas de los nanoclusters de oro en comparación con las nanopartículas de oro. Sin embargo, el uso de nanoclusters de oro para la catálisis de HER ciertamente presenta desafíos.«
Los principales obstáculos asociados con los nanoclusters de oro incluyen encontrar una solución a la cantidad de oro necesaria para escalar el uso de estos catalizadores, preocupaciones sobre cómo funcionarán los nanocatalizadores en condiciones ambientales adversas y modelos teóricos defectuosos.
De cara al futuro, los investigadores están considerando los próximos pasos en la investigación de nanocatalizadores. Las vías sugeridas incluyen probar la aplicabilidad del catalizador compuesto basado en grupos de oro para diversas reacciones en combinación con HER y aumentar la conductividad eléctrica del catalizador compuesto basado en grupos.
Tang concluyó: “Debido al rápido desarrollo de las técnicas sintéticas y la ciencia de la catálisis, anticipamos que se dedicarán más esfuerzos de investigación al uso de nanoclusters metálicos atómicamente precisos como catalizadores modelo para diversas reacciones electrocatalíticas y más.«
Este estudio también contó con el apoyo de Xin Zhu, Leyi Chen y Yonggang Liu del Instituto de Nuevas Energías de la Universidad Tecnológica del Sur de China en Guangzhou, China.
El estudio fue financiado por la Fundación de Investigación Básica y Aplicada de Guangzhou y los Fondos de Ciencias Naturales de Guangdong.
Referencia de la revista:
Zhu, X., et al. (2023) Nanoclusters de Au atómicamente precisos para la catálisis electroquímica de evolución de hidrógeno: avances y perspectivas. Polioxometalatos. doi:10.26599/POM.2023.9140031
Fuente: http://www.tup.tsinghua.edu.cn/en/index.html
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