Un equipo de investigación de la Universidad de Nottingham, en colaboración con la Universidad de Birmingham y la Universidad de Cardiff, ha desarrollado un innovador material que consiste en clústeres de rutenio (Ru) a nanoescala anclados en carbono grafitizado. Este nuevo catalizador tiene la capacidad de generar hidrógeno a partir de amoníaco, un paso esencial hacia la producción de hidrógeno verde.
El estudio, publicado en la revista Chemical Science, destaca que, gracias a su alta densidad energética volumétrica, el amoníaco se perfila como un portador de energía cero carbono que podría impulsar una nueva economía sostenible en un futuro cercano. Por lo tanto, es crucial encontrar métodos rápidos y eficientes enérgicamente para descomponer el amoníaco en hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2) bajo demanda.
Un catalizador que mejora con el uso
Aunque la desactivación de catalizadores es un fenómeno común, es raro que un catalizador aumente su actividad con el uso. Comprender los mecanismos a nivel atómico detrás de los cambios en la actividad del catalizador es fundamental para diseñar la próxima generación de catalizadores heterogéneos.
El Dr. Jesum Alves Fernandes, profesor adjunto en la Escuela de Química de la Universidad de Nottingham y co-líder del equipo de investigación, explicó que «los catalizadores tradicionales consisten en nanopartículas, donde la mayoría de los átomos son inaccesibles para las reacciones. Nuestro enfoque comienza con átomos individuales que se ensamblan de forma autónoma en clústeres de un tamaño deseado».
El equipo utilizó un proceso de sputtering por magnetrón para generar un flujo de átomos metálicos y construir el catalizador. Esta técnica, que no requiere disolventes ni reactivos, permite la fabricación de un catalizador limpio y altamente activo. Al maximizar la superficie del catalizador, se asegura el uso más eficiente de elementos raros como el rutenio (Ru).
El Dr. Yifan Chen, investigador asociado en la Escuela de Química, indicó que «nos sorprendió descubrir que la actividad de los clústeres de Ru en carbono realmente aumenta con el tiempo, lo cual contradice los procesos de desactivación que normalmente se producen en los catalizadores durante su uso». Esta sorprendente observación llevó al equipo a desarrollar un enfoque de microscopía para contar los átomos en cada clúster del catalizador a través de diferentes etapas de la reacción, utilizando microscopía electrónica de transmisión por barrido.
Los investigadores encontraron que los átomos de rutenio, inicialmente desordenados en la superficie de carbono, se reorganizan en nano-pirámides truncadas con bordes escalonados. Estas nano-pirámides muestran una notable estabilidad durante varias horas a altas temperaturas durante la reacción. Evolucionan continuamente para maximizar la densidad de sitios activos, mejorando así la producción de hidrógeno a partir del amoníaco. Este comportamiento explica las características únicas de auto-mejoramiento del catalizador.
El profesor Andrei Khlobystov, de la Escuela de Química, afirmó que «este descubrimiento marca una nueva dirección en el diseño de catalizadores, al mostrar un sistema estable y auto-mejorable para la generación de hidrógeno a partir del amoníaco como fuente de energía verde». Se espera que este avance contribuya significativamente a las tecnologías energéticas sostenibles, apoyando la transición hacia un futuro libre de carbono.
Este desarrollo representa un avance importante en la comprensión de los mecanismos atomísticos de la catálisis heterogénea para la producción de hidrógeno. Allana el camino para el desarrollo de catalizadores altamente activos y estables que utilicen metales raros de manera sostenible, controlando con precisión las estructuras de los catalizadores a nanoescala.
