Un estudio revela reacciones en el corazón de muchas tecnologías de energía renovable | MIT News

Una reacción química importante en la que el movimiento de protones entre la superficie de un electrodo y el electrolito crea una corriente eléctrica. Es un paso importante en muchas tecnologías energéticas. Incluyendo pilas de combustible y electrolizadores utilizados para producir gas hidrógeno.

Por primera vez, químicos del MIT han detallado cómo se produce la transferencia de pares electrón-protón en la superficie de un electrodo. Los resultados podrían ayudar a los investigadores a diseñar pilas de combustible, baterías u otras tecnologías energéticas. más eficiente

“Nuestro avance con este artículo es estudiar y comprender la naturaleza de cómo se emparejan los electrones y los protones en la superficie. Se trata de reacciones catalíticas que son importantes en el contexto de dispositivos de conversión de energía o reacciones catalíticas”, dijo Yogesh Surendranath, profesor de química e ingeniería química en el MIT y autor principal del estudio.

en este descubrimiento Los investigadores pudieron rastrear con precisión los cambios en el pH de la solución electrolítica circundante. ¿Cómo afectan los electrodos la velocidad de movimiento de protones y el flujo de electrones dentro del electrodo?

El estudiante graduado del MIT Noah Lewis es el autor principal del artículo. que apareció hoy quimica naturalRyan Bisbey, ex postdoctorado del MIT, Karl Westendorff, estudiante de posgrado del MIT; y Alexander Sudakhkov, científico investigador de la Universidad de Yale. También es el autor de este artículo.

Paso de protones

La transferencia de electrones acoplados con protones ocurre cuando una molécula Suele ser agua o ácido. Transfiere protones a otra molécula o a la superficie de un electrodo. Esto estimula al aceptor de protones para que también acepte electrones. Este tipo de reacción se utiliza en muchas aplicaciones energéticas.

“Estas reacciones de transferencia de electrones entre pares de protones son omnipresentes. Estos suelen ser pasos clave en el mecanismo catalítico. Y es especialmente importante para los procesos de conversión de energía, como la generación de hidrógeno o la catálisis de pilas de combustible”, dijo Surendranath.

en electrolizadores que crean hidrógeno Este método se utiliza para eliminar protones del agua y agregar electrones a los protones para crear gas hidrógeno. en la pila de combustible Se crea una corriente eléctrica cuando los protones y electrones se separan del gas hidrógeno. y se añade al oxígeno para crear agua.

La transferencia de electrones acoplados a protones es común en muchos otros tipos de reacciones químicas, como la reducción de dióxido de carbono. (Convertir dióxido de carbono en un combustible químico agregando electrones y protones). Los científicos han aprendido mucho sobre cómo ocurren estas reacciones cuando los aceptores de protones forman una molécula. Porque la estructura de cada molécula se puede controlar con precisión. y observar cómo pasan electrones y protones entre ellos.Sin embargo, cuando la transferencia de electrones acoplados con protones se produce en la superficie del electrodo, Este proceso es mucho más difícil de estudiar. Esto se debe a que la superficie del electrodo suele ser muy diversa. con varias posiciones Muchos de los protones también pueden atraparlos.

Para superar este obstáculo, el equipo del MIT desarrolló un método para diseñar superficies de electrodos que permite un control más preciso de la composición de la superficie del electrodo. El electrodo consta de una lámina de grafeno que tiene compuestos orgánicos con anillos adheridos a la superficie. Al final de cada molécula orgánica hay un ion de oxígeno cargado negativamente que puede aceptar protones de la solución circundante. Esto hace que los electrones fluyan desde el circuito hacia la superficie del grafito.

“Podemos crear un electrodo que no consta de múltiples puntos. Más bien, es una matriz uniforme de puntos bien definidos de un solo tipo. Cada sitio puede capturar protones con la misma afinidad», dijo Surendranath. «Debido a que tenemos sitios bien definidos, Lo que nos permite hacer es desentrañar la cinética de estos procesos”.

Al utilizar este sistema Los investigadores pudieron medir el flujo de corriente eléctrica a los electrodos. Esto les permitió calcular la tasa de transferencia de protones a los iones de oxígeno de la superficie en equilibrio. ¿Cuál es el estado en el que se produce la tasa de donación de protones a la superficie? y la transferencia de protones desde la superficie a la solución es igual. Descubrieron que el pH de la solución circundante tiene un impacto significativo en esta tasa. Las tasas más altas se producen en el extremo inferior de la escala de pH: pH 0, que es el más ácido, y pH 14, que es el más básico.

para explicar estos resultados. Los investigadores desarrollaron un modelo basado en dos posibles reacciones que podrían ocurrir en el electrodo: primero, los iones de hidronio (H3Vaya+), que se encuentra en alta concentración en soluciones altamente ácidas. Entrega protones a los iones de oxígeno en la superficie, creando agua. En segundo lugar, el agua entrega protones a los iones de oxígeno en la superficie. produce iones hidróxido (OH– –), que tiene una alta concentración en soluciones básicas concentradas.

Sin embargo, la velocidad a pH 0 es aproximadamente cuatro veces más rápida que la velocidad a pH 14. Esto se debe en parte a que el hidronio libera protones a un ritmo más rápido que el agua.

Reacciones que es necesario reconsiderar

Para su sorpresa, los investigadores también descubrieron que las dos reacciones tenían la misma velocidad, no a un pH neutro de 7, donde las concentraciones de hidronio e hidróxido eran iguales, sino a un pH de 10, donde la concentración de hidróxido era igual. El ion hidronio es 1 millón de veces más fuerte. que el hidronio. Este modelo sugiere que esto se debe a que las reacciones directas que implican la donación de protones del hidronio o el agua contribuyen más a la velocidad general que las reacciones inversas que implican la eliminación de protones por el agua o el hidróxido.

Los modelos existentes de cómo ocurren estas reacciones en la superficie del electrodo suponen que las reacciones directas y inversas contribuyen en la misma cantidad a la velocidad general. Por lo tanto, los nuevos hallazgos sugieren que es posible que sea necesario reconsiderar esos modelos. Los investigadores dicen

«Esa fue la suposición inicial de que las reacciones directas e inversas contribuyen a la misma velocidad de reacción», dijo Surendranath. “Nuestro descubrimiento fue realmente revelador. Porque significa que las suposiciones que la gente utiliza para analizar todo, desde la catálisis de las pilas de combustible hasta la evolución del hidrógeno, pueden ser algo que debamos revisar”.

Los investigadores ahora están utilizando una configuración experimental para estudiar cómo la adición de diferentes tipos de iones en la solución electrolítica circundante. ¿Cómo podría un electrodo acelerar o disminuir la velocidad del flujo de electrones acoplados con protones?

“Con nuestro sistema Sabemos que nuestros sitios son estables y no se afectan entre sí. Entonces podemos leer cómo los cambios en la solución afectan las reacciones en la superficie”, dijo Lewis.

La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.

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