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» » » Próxima generación de energía: película flexible que puede catalizar la producción de hidrógeno

Referencia: ScienceDaily.com, 4 de noviembre 2014

Químicos de la Univesidad de Rice han convertido una forma bidimensional de disulfuro de molibdeno en una película nanoporosa flexible que puede catalizar la producción de hidrógeno o ser utilizada para almacenamiento de energía.

El compuesto químico versátil clasificado como calcogenuro, es inerte a lo largo de sus lados planos, aunque en estudios anteriores ya determinaron que los bordes del material son altamente eficaces para catalizar la reacción por desprendimiento de hidrógeno (HER: hydrogen evolution reaction), un proceso utilizado en las pilas de combustible para extraer hidrógeno a partir del agua.

Tour y sus colegas han encontrado una manera efectiva y barata de crear películas flexibles de un material que maximice la cantidad de borde expuesto, y que tiene potencial para una variedad de aplicaciones orientadas a la energía. Esta investigación de Rice se ha publicado en el journal Advanced Materials.

El disulfuro de molibdeno no es tan plano como el grafeno, con su átomo de espesor de carbono puro, debido a que contiene átomos tanto de molibdeno como de azufre. Cuando se mira desde arriba, se ve como el grafeno, con filas de hexágonos ordenados. Pero visto de lado, se revelan tres capas distintas, con átomos de azufre formando sus propios planos por encima y por debajo del molibdeno.

Esta estructura cristalina crea un borde más robusto y agudo, mejor para las reacciones catalíticas o de almacenamiento, apuntó Tour.

"Gran parte de la química se produce en los bordes de los materiales", explicaba. "Un material bidimensional es como una hoja de papel: Un gran plano con muy poco borde. Sin embargo, nuestro material es altamente poroso. Lo que vemos en las imágenes son planos cortos, de 5 a 6 nanómetros, y mucho borde, como si el material tuviese agujeros perforados a todo su través."

Esta nueva película fue creada por Tour y el investigador postdoctoral, Yang Yang, como principales autores, Huilong Fei, estudiante de posgrado y demás colegas. Y cataliza la separación de hidrógeno del agua cuando se expuesta a una corriente. "Su desempeño como generador HER es tan bueno como cualquier otra estructura de disulfuro de molibdeno y es realmente fácil de hacer", señaló Tour.

La siguiente ilustración representa una simplificación de
 cómo funciona la producción de hidrógeno por
electrólisis PEM, donde se muestran las medias reacciones
 individuales de forma conjunta con la reacción completa
 de un electrolizador PEM. En este caso, el electrolizador
 se acopla a un panel solar para producir hidrógeno,
no obstante, el panel solar podría ser reemplazado
por cualquier fuente de electricidad. Wikipedia.
Mientras que otros investigadores han propuesto conjuntos de hojas de disulfuro de molibdeno colocados en el borde, el grupo de Rice tomó un enfoque diferente. En primer lugar, hicieron crecer una película de óxido de molibdeno porosa sobre un sustrato de molibdeno, a través de la anodización a temperatura ambiente, un proceso electroquímico con muchos usos, aunque tradicionalmente empleado para espesar capas de óxido natural en metales.

La película se expone a vapor de azufre a 300 ºC durante una hora. Esto convierte el material a disulfuro de molibdeno sin dañar su estructura, similar a la de una esponja nano-porosa, según informaban.

Las películas también pueden servir como supercondensadores, los cuales almacenan energía rápidamente como carga estática y la liberan en un estallido. A pesar de que no almacenan tanta energía como una batería electroquímica, tienen largos periodos de vida y sirven amplio uso, ya que pueden ofrecer mucho más poder que una batería. El laboratorio de Rice ha construido supercondensadores con estas películas, en pruebas, y conservan el 90 por ciento de su capacidad después de 10.000 ciclos de carga-descarga y el 83 por ciento después de 20.000 ciclos.

"Visualizamos la anodización como una ruta de materiales para múltiples plataformas en la próxima generación de dispositivos de energía alternativa", dijo Tour. "Estos podrían ser las pilas de combustible, supercondensadores y baterías. Y hemos demostrado que dos de esos tres, son posibles con este nuevo material."

Los co-autores del estudio son Rice graduate students Gedeng Ruan and Changsheng Xiang. Tour is the T.T. and W.F. Chao Chair in Chemistry as well as a professor of materials science and nanoengineering and of computer science.


Fuente: Universidad de Rice.
Publicación: Yang Yang, Huilong Fei, Gedeng Ruan, Changsheng Xiang, James M. Tour. Edge-Oriented MoS2Nanoporous Films as Flexible Electrodes for Hydrogen Evolution Reactions and Supercapacitor Devices. Advanced Materials, 2014; DOI: 10.1002/adma.201402847.
Imagen: Una película delgada y flexible desarrollada en la Universidad Rice muestra un excelente potencial como catalizador de hidrógeno o como un dispositivo de almacenamiento de energía. La película de bidimensional podría ser un componente rentable para pilas de combustible. Crédito: Tour Group/Rice University.
- Imagen.2. La siguiente ilustración representa una simplificación de cómo funciona la producción de hidrógeno por electrólisis PEM, donde se muestran las medias reacciones individuales de forma conjunta con la reacción completa de un electrolizador PEM. En este caso, el electrolizador se acopla a un panel solar para producir hidrógeno, no obstante, el panel solar podría ser reemplazado por cualquier fuente de electricidad. Wikipedia.
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