Los investigadores han descubierto por primera vez que el mismo nanocatalizador de plata (Ag) puede operar en diferentes sitios de reacción dependiendo de si una celda de óxido sólido está produciendo electricidad o generando hidrógeno. El hallazgo apunta a una nueva forma de diseñar estos dispositivos energéticos de próxima generación para un mejor rendimiento, porque ¿por qué conformarse con un solo truco catalítico cuando puedes tener dos?

El trabajo fue dirigido por los profesores WooChul Jung y Jeong Woo Han del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Seúl (SNU), junto con el equipo del profesor Sang Ouk Kim en KAIST y el equipo del Dr. Beomgyun Jeong en el Instituto de Ciencias Básicas de Corea (KBSI). Sus resultados aclaran cómo los nanocatalizadores de plata mejoran el rendimiento de las celdas de óxido sólido y muestran que tanto la ubicación como el mecanismo de las reacciones de oxígeno cambian según cómo se use la celda, algo así como una navaja suiza que decide ser cuchara solo cuando estás comiendo sopa.

Las celdas de óxido sólido mueven iones de oxígeno a través de un material sólido para realizar dos funciones diferentes: pueden generar electricidad o pueden dividir el agua para producir hidrógeno. Debido a esta versatilidad, la tecnología se considera una opción importante para expandir la energía limpia y el uso del hidrógeno. Las aplicaciones potenciales van desde sistemas distribuidos de cogeneración de calor y electricidad en edificios y fábricas que generan electricidad mientras aprovechan el calor de alta temperatura producido durante la operación, hasta la producción de hidrógeno verde basada en energías renovables. Los hallazgos fueron publicados en la revista de renombre mundial Energy & Environmental Science y fueron seleccionados como artículo de contraportada exterior, destacando su importancia, porque aparentemente estar en la contraportada es el equivalente científico de una ovación de pie.

Precisando dónde trabajan los catalizadores

El rendimiento y la durabilidad de las celdas de óxido sólido dependen en gran medida de la rapidez con que ocurren las reacciones de oxígeno en el electrodo de aire. Pero los electrodos reales tienen estructuras complicadas, lo que dificulta a los investigadores determinar exactamente dónde participan los nanocatalizadores en esas reacciones y cómo mejoran el rendimiento. Investigaciones anteriores ya habían demostrado que los nanocatalizadores metálicos pueden hacer que estas celdas funcionen mejor. Lo que no estaba claro era si la mayor parte de la actividad catalítica ocurre directamente en la superficie del catalizador o en el límite donde el catalizador toca el electrodo. Los investigadores tampoco sabían si el mismo mecanismo catalítico era responsable tanto de la generación de electricidad como de la producción de hidrógeno.

Para investigar estas preguntas, el equipo creó un electrodo modelo con estructura y composición cuidadosamente controladas en lugar de depender de la arquitectura mucho más complicada de los electrodos convencionales. Se dispusieron nanopartículas metálicas con tamaños y espaciamientos uniformes en patrones ordenados, lo que permitió a los investigadores examinar sus roles catalíticos con mucha más precisión. Los científicos primero compararon varios nanocatalizadores metálicos, incluidos plata, cobalto, paladio y platino. Cada uno se depositó sobre un electrodo de óxido de perovskita de película delgada y se probó su capacidad para acelerar las reacciones de oxígeno. La plata produjo la mejora catalítica más fuerte entre los metales probados, ¡toma eso, platino!

Luego, los investigadores cambiaron el tamaño y la disposición de las nanopartículas de plata para determinar dónde ocurrían las reacciones más importantes. Durante la reacción de reducción de oxígeno (generación de electricidad), las velocidades de reacción aumentaron a medida que crecía la longitud del límite entre las nanopartículas de plata y el electrodo. Esto mostró que la interfaz entre la plata y el electrodo es el sitio principal de reacción cuando la celda está generando electricidad. La situación cambió durante la reacción de evolución de oxígeno (producción de hidrógeno). En este modo, las velocidades de reacción aumentaron con el área de superficie de las nanopartículas de plata. Ese resultado mostró que la superficie de las partículas de plata mismas se convierte en el sitio principal de reacción durante la producción de hidrógeno.