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» » » Controlando las vibraciones moleculares para producir hidrógeno

Referencia: sScienceNews.com, 1 de mayo 2014

El gas natural (metano) se puede convertir en hidrógeno (H2), y éste se utiliza como energía limpia, en fertilizantes sintéticos y muchos otros productos químicos. La reacción requiere de agua y de un catalizador de níquel. Las moléculas de metano y de agua se unen en la superficie del catalizador, donde se disocian en sus componentes atómicos. Ya recombinados forman diferentes compuestos como el H2 y CO .

En anteriores Investigaciones se han centrado principalmente en la comprensión de cómo se disocia de el metano, pero las restricciones experimentales han limitado la investigación sobre la disociación de agua. En la publicación en  Science , los científicos de EPFL han utilizado láseres para determinar por primera vez cómo las vibraciones específicas de una molécula de agua afectan a su capacidad de disociar. Estos resultados experimentales se han utilizado para optimizar modelos teóricos para la disociación del agua (Universidad de Nuevo México), que puede afectar el diseño de los catalizadores futuros.

El metano se utiliza ampliamente a escala industrial para producir hidrógeno, y éste se usa como combustible limpio y como materia prima para producir amoniaco, utilizado en los fertilizantes sintéticos. El proceso utilizado se conoce como 'reformado con vapor', ya que implica la reacción del gas metano con el vapor de agua. Esta reacción requiere de un catalizador de metal que permita a las moléculas disociarse y recombinarse de manera eficiente. Pero mientras que los detalles de la disociación del metano se han estudiado durante más de una década, se ha seguido manteniendo esquiva la forma en que las moléculas de agua se separan.

Vibraciones de ajuste preciso con el láser

El equipo de Rainer Beck en EPFL, ha demostrado que la disociación del agua depende en gran medida de las vibraciones internas entre los átomos de hidrógeno y los de oxígeno. En una molécula, los átomos no son estáticos, sino que pueden vibrar de diferentes maneras. En concreto, en una de agua, los dos átomos de oxígeno pueden vibrar como la acción de unas tijeras, o pueden estirarse de atrás adelante ("estiramiento simétrico"), o por turnos ("estiramiento asimétrico"). "Estos 'estiramientos' entre los átomos de oxígeno y hidrógeno juegan un papel importante para saber cómo puede disociarse en un catalizador una molécula de agua", dice Beck.

El control de diferentes tipos de vibraciones es la clave para comprender la capacidad de una molécula de agua a la hora de disociarse en condiciones moderadas. Al utilizar níquel como catalizador (de uso común en el ‘reformado de vapor’), y el uso de láseres, el equipo pudo controlar con precisión cómo las moléculas de agua estaban siendo excitadas. "Si se calienta el sistema, por ejemplo, con una llama, uno puede excitar todos los grados de libertad al mismo tiempo", explica Beck. "También aumenta su energía cinética, por lo que todas las moléculas de agua golpean la superficie del níquel a altas velocidades, pero no tienes control sobre las vibraciones de los átomos individuales. Con un láser, podemos excitar selectivamente un tipo de vibración, y esto nos permite medir un solo estado de energía a la vez" .

Los datos mostraron que el grado de estiramiento vibracional entre los átomos de hidrógeno y oxígeno en una molécula de agua determinan su capacidad de reacción disociativa sobre el catalizador. Esto sucede porque el láser añade energía a las moléculas de agua, aumentando las vibraciones hasta el punto donde se rompen sobre la superficie del catalizador. Este punto se llama un 'estado de transición', que es cuando las moléculas de agua están preparadas para reaccionar. "Idealmente, queremos deformar las moléculas antes de que golpeen la superficie, de manera que hemos sesgadola estructura hacia el estado de transición", explica Beck. "Esta es la razón por lo que las vibraciones seleccionadas de láser son más eficientes que calentar todo el sistema: estamos poniendo la energía justo donde se necesita para romper los enlaces de la molécula de agua."

Del experimento a la teoría

La capacidad sin precedentes para excitar los tipos específicos de vibraciones, han permitido a los teóricos de la Universidad de Nuevo México calcular todas las fuerzas entre los átomos y la superficie del catalizador de níquel, y simular lo que ocurre cuando una molécula de agua golpea la superficie del catalizador con cada tipo de vibración. Sin estas medidas experimentales, tales cálculos carecerían de precisión.

"Con nuestros datos, los teóricos pueden comparar directamente su modelo con los datos experimentales de un tipo de vibración al mismo tiempo, esto lo hace mucho más preciso", explica Beck. "Esto permite la optimización de los modelos de disociación que mejor pueden predecir cómo reaccionan cualesquiera otras moléculas de agua o metano en una superficie determinada. Nuestros experimentos de resolución de estado pretenden orientar el desarrollo de la teoría predictiva."

Esta optimización de los modelos teóricos también puede conducir a un desarrollo más rápido y eficiente de los catalizadores para una serie de reacciones químicas industriales y comerciales. Tal como explica Beck: "Se puede usar un modelo de computador para, por ejemplo, variar el espacio de los átomos del catalizador o cambiar la estructura de su superficie. Esta es la manera más barata y eficaz de encontrar un buen catalizador, en lugar de tener que hacer juicios a través de ensayo-error. Sin embargo, a fin de poder confiar en el modelo teórico, necesitamos estos datos para poder contrastarlos."


- Fuente: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.
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