Desarrollan catalizador reversible para Hidrógeno

Científicos del Departamento de Energía (DOE) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EEUU) y colaboradores han desarrollado un nuevo catalizador reversible que convierte el gas de hidrógeno y dióxido de carbono en un líquido en condiciones muy suaves. El trabajo - se describe en un artículo publicado on line el pasado 18 de marzo 2012, en Nature Chemistry - podría conducir a formas eficientes para almacenar y transportar de forma segura hidrógeno para su uso como combustible alternativo.

El hidrógeno se considera como un combustible atractivo debido a que de manera eficiente puede ser convertida en energía sin producir productos tóxicos o gases invernadero; sin embargo, el almacenamiento y transporte de hidrógeno sigue siendo lo más complicado y riesgoso, a diferencia que con los combustibles de hidrocarburos líquidos. El nuevo trabajo se basa en esfuerzos anteriores para combinar hidrógeno con dióxido de carbono para producir una solución de ácido fórmico líquido que puede ser transportado utilizando el mismo tipo de infraestructura utilizada para el transporte de gasolina y aceite.

Si bien no es el primer catalizador capaz de llevar a cabo esta reacción, pero es el primero para trabajar a temperatura ambiente, en una solución acuosa (agua), bajo presión atmosférica que es capaz de ejecutar la reacción en direcciones hacia adelante o hacia atrás dependiendo de la acidez de la solución, señalo la químico de Brookhaven, Etsuko Fujita quien supervisó las contribuciones de Brookhaven en esta investigación.

Cuando se desea liberar hidrogeno para su uso en pilas de combustible u otras aplicaciones, se puede simplemente dar la vuelta al cambio de pH en el catalizador para realizar la reacción a la inversa, preciso el químico de Brookhaven James Muckerman, co-autor del estudio. Se observó que el ácido fórmico líquido también puede ser utilizado directamente en una celda de combustible fórmico-ácido.

El colaborador Yuichiro Himeda del Instituto Nacional de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología (AIST) de Japón había estado haciendo un progreso sustancial hacia el objetivo de desarrollar este tipo de catalizador por una serie de años. Él utilizó los complejos del metal  iridio que contienen cadenas aromáticas diimina (grupos de átomos unidos al metal) con pendientes, periféricos hidroxilo (OH) grupos que pueden servir como sitios ácidos que los protones de liberación para convertirse en bases independientes.

Himeda ha entrado recientemente en la colaboración - a través de la colaboración entre EEUU y Japón sobre el programa de tecnologías de energía limpia - con Fujita, Muckerman, y Jonathan Hull (un compañero de trabajo Goldhaber en el equipo de Fujita). El grupo llevó a cabo la coordinación en Brookhaven para el desarrollo de los estudios experimentales y teóricos para entender la secuencia de pasos químicos por los que estos catalizadores convierten H2 y CO2 en ácido fórmico. Su objetivo era diseñar nuevos catalizadores con un rendimiento mejorado.

La idea clave del equipo de Brookhaven vino de la naturaleza: "Nos inspiramos en la forma enlaces de hidrógeno y bases de retransmisión de protones en los sitios activos de algunas enzimas", recordo Hull.

El diagrama muestra el nuevo catalizador en sus estados protonadas y desprotonada como reversiblemente convierte el hidrógeno y el CO2 de gas hacia y desde formiato líquido o ácido fórmico a temperatura y presión ambiente. Los gases así pueden ser almacenados y transportado en forma líquida, y utilizado más tarde en aplicaciones de carbono-neutral de energía, simplemente ajustando el pH.

En importante señalar, que los buenos catalizadores mueven de manera eficiente los protones y electrones alrededor, sacándolos de algunas moléculas y colocándolos sobre otras para producir el producto deseado. Definitivamente la naturaleza tiene muchas maneras de hacer esto. Bajo las condiciones adecuadas, los grupos hidroxilo con el enlace diimina del hidrógeno ayuda al catalizador a reaccionar con dióxido de carbono, que es difícil de hacer. Los investigadores consideran que se podría mejorar la reactividad mediante la colocación de las bases independientes de metal cerca de los centros, más que en posiciones periféricas.

Una vez que el equipo de Brookhaven comprendió como los catalizadores de Himeda funcionaban, el prof. Hull se dio cuenta de que un nuevo enlace que había sido sintetizado por los colaboradores de Brian Hashiguchi y Roy Periana de The Scripps Research Institute para un propósito completamente diferente, posiblemente, sería ideal para lograr este objetivo. El grupo de Brookhaven ha diseñado un catalizador del metal de iridio que ha sido incorporación de este nuevo ligando.

El colaborador David Szalda del Baruch College (Universidad de la Ciudad de Nueva York) determinó la estructura cristalina de nivel atómico del nuevo catalizador para "ver" como la disposición de sus átomos podría explicar su función.

Las pruebas del nuevo catalizador revelaron un rendimiento catalítico superior para almacenar y liberar H2 bajo condiciones de reacción muy suaves. Para la reacción de la combinación de CO2 con H2, los científicos observaron altos volúmenes de negocios a temperatura ambiente y presión ambiente; para la descomposición catalítica de ácido fórmico para liberar el hidrógeno, la tasa de catalizador era más rápido que cualquier informe anterior.

El equipo ha sido capaz de convertir una mezcla de 1:1 de H2 y CO2 a formato (la forma desprotonada de ácido fórmico) a temperatura ambiente, regenerar con éxito H2, y luego repetir el ciclo. Es un principio de diseño del cual somos muy afortunados de haber encontrado, señalo el prof. Hull.

La regeneración de alta presión de la mezcla de gas (hidrógeno y dióxido de carbono) es bastante puro, importante, no hay monóxido de carbono (CO) la cual es una impureza que puede "envenenar" las pilas de combustible y reducir su vida. Por lo tanto, este método de almacenamiento de hidrógeno y regeneración podría tener un uso en células de combustible de hidrógeno.

Mayores esfuerzos para optimizar el proceso de almacenamiento de hidrógeno están en curso con varios catalizadores con el mismo principio de diseño.

Este es un maravilloso ejemplo de cómo la investigación fundamental puede conducir a la comprensión y el control de los factores que contribuyen a la solución de los problemas tecnológicos importantes.