Nuevo material abre la posibilidad de convertir contaminantes del agua en gas de hidrógeno.

18 de enero de 2024

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por el Worcester Polytechnic Institute

Investigadores del WPI han desarrollado un material para eliminar la urea del agua y potencialmente convertirla en gas de hidrógeno. Construyendo estos materiales de átomos de níquel y cobalto con estructuras electrónicas cuidadosamente adaptadas, el grupo ha desbloqueado el potencial para permitir que estos óxidos e hidróxidos de metales de transición seleccionen oxidar la urea en una reacción electroquímica.

El estudio, liderado por Xiaowei Teng, el profesor James H. Manning de Ingeniería Química del WPI, fue publicado en el Journal of Physical Chemistry Letters y destacado en la portada suplementaria de la publicación.

La urea es un fertilizante de nitrógeno de bajo costo para la agricultura y un producto natural del metabolismo humano. El lixiviado agrícola rico en urea y el vertido de aguas residuales municipales causan eutrofización, floraciones de algas dañinas y zonas muertas hipóxicas que afectan adversamente el medio ambiente acuático y la salud humana.

Al mismo tiempo, las características únicas de la urea la convierten en un posible medio de almacenamiento de hidrógeno que podría ofrecer una producción de hidrógeno a demanda viable. Por ejemplo, la urea no es tóxica, tiene alta solubilidad en agua y tiene un alto contenido de hidrógeno (6,7% en peso). Por lo tanto, la electrólisis de urea para la producción de hidrógeno es más eficiente en energía y económica que la electrólisis de agua.

La debilidad de la electrólisis de urea siempre ha sido la falta de electrocatalizadores de bajo costo y altamente eficientes que oxiden selectivamente la urea en lugar del agua, pero Teng y su equipo han encontrado una solución: crear electrocatalizadores que consistan en átomos de níquel y cobalto interactuados sinérgicamente con estructuras electrónicas únicas para la electrooxidación selectiva de la urea.

El estudio del equipo del WPI se centró en óxidos e hidróxidos de níquel y cobalto homogéneos. Los investigadores descubrieron que la clave para mejorar su actividad electroquímica y selectividad hacia la oxidación de la urea radicaba en adaptar las estructuras electrónicas únicas con especies dominantes de Ni2+ y Co3+.

"Esta configuración electrónica es un factor crucial para mejorar la selectividad de la oxidación de la urea porque observamos que un mayor valencia de níquel, como Ni3+, de hecho ayuda a producir una reacción rápida con una fuerte corriente eléctrica de salida; sin embargo, una gran parte de la corriente provenía de la oxidación no deseada del agua", dijo Teng.

Para comprender mejor este efecto, el grupo de Teng colaboró con Aaron Deskins, profesor de ingeniería química en el WPI. Deskins realizó simulaciones computacionales y descubrió que la mezcla homogénea de óxidos e hidróxidos de níquel y cobalto benefició la redistribución de electrones de Ni2+ a especies de Co3+ y desplazó electrones de valencia a una energía más alta, por lo que los catalizadores de Ni/Co estaban mejor preparados para participar en la unión con moléculas de urea y agua.

La urea, un importante fertilizante nitrogenado y aditivo para alimentos, se produjo comercialmente ya en la década de 1920; se produjeron alrededor de 180 millones de toneladas métricas en 2021. La urea se puede derivar de fuentes naturales; un adulto humano produce diariamente 1,5 L de orina, equivalente a 11 kg de urea y 0,77 kg de gas de hidrógeno al año.

Los hallazgos del equipo podrían ayudar a utilizar la urea en corrientes de desechos para producir eficientemente combustible de hidrógeno a través del proceso de electrólisis, y podrían usarse para secuestrar la urea del agua, manteniendo la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas ecológicos y revolucionando el nexo agua-energía.

Información del diario: Journal of Physical Chemistry Letters

Proporcionado por Worcester Polytechnic Institute