En el Óblast de Moscú, estudian compuestos de estructuras metalorgánicas como catalizadores de hidrogenación de magnesio
Krasnogorsk, Óblast de Moscú, Rusia, Europa.- Un equipo de científicos, incluyendo investigadores del Centro Federal de Investigación de Problemas de Física Química y Química Medicinal de la Academia de Ciencias de Rusia (Chernogolovka), realizó un estudio que demuestra el importante potencial de los compuestos de estructuras metalorgánicas y sus derivados como catalizadores de hidrogenación de magnesio para sistemas de almacenamiento de hidrógeno. El estudio fue publicado en la revista Journal of Physics: Energy.
El almacenamiento de hidrógeno es un desafío clave en la búsqueda de energía limpia. El magnesio, que puede absorber hasta un 7,6 % de hidrógeno en peso, es un material prometedor para el almacenamiento compacto y seguro de hidrógeno. Sin embargo, este material presenta un inconveniente importante: absorbe y libera hidrógeno con demasiada lentitud, especialmente a temperaturas moderadas. Para abordar este problema, los científicos investigan activamente diversos catalizadores que puedan acelerar estos procesos.
Un equipo de investigadores propuso utilizar materiales inusuales como catalizadores: derivados de compuestos de estructuras metalorgánicas (MOF) sintetizados a partir de ácido itacónico (IA) y sales de níquel o cobalto (Ni-IA y Co-IA).
El estudio consistió en el tratamiento térmico de los MOF preparados. Esto dio como resultado la formación de nanopartículas de aleación de cobalto-níquel (CoNi) rodeadas por una capa de carbono porosa, las denominadas estructuras núcleo-capa (CoNi@C; véase la figura).
Metal-organic_framework_compounds_and_their_proi_1.jpg (jpg, 185 KB)
Los productos de descomposición térmica resultantes y los MOF iniciales se utilizaron como catalizadores para la síntesis de hidruro de magnesio mediante molienda reactiva de alta energía de una mezcla de polvo de magnesio y catalizador (10 % en peso) en hidrógeno a una presión de 25 bar. La cinética de absorción de hidrógeno se determinó midiendo la caída de presión en el reactor.
Como resultado, tanto los MOF originales como sus derivados tratados térmicamente (CoNi@C) aceleraron significativamente la hidrogenación del magnesio, nueve veces más rápido que el magnesio sin catalizador. Este efecto fue incluso mayor que el de otros catalizadores conocidos, como las nanopartículas de Pd sobre MOF UiO-66 o el Ni sobre un material similar al grafeno.
Se observó un fenómeno inesperado. Al utilizar MOF sin tratamiento térmico (Co-IA + Ni-IA), la absorción de hidrógeno continuó durante varias horas en las pausas entre las etapas de molienda, mientras el reactor se enfriaba a temperatura ambiente. Esto indica que los productos intermedios de descomposición de los MOF, formados durante la molienda bajo la influencia del choque mecánico y el calentamiento localizado, son catalizadores aún más eficaces que el producto final, CoNi@C. Es posible que estas formas intermedias creen sitios activos para la disociación del hidrógeno, actuando como núcleos para las nanopartículas catalíticas de CoNi incrustadas en las partículas de magnesio.
Por lo tanto, este trabajo demuestra el gran potencial de los MOF y sus derivados como catalizadores de hidrogenación de magnesio para sistemas de almacenamiento de hidrógeno. No solo son eficaces, sino también relativamente económicos, ya que se basan en níquel y cobalto en lugar de metales nobles.
Quizás el catalizador más eficaz no sea el producto final de la descomposición térmica de los MOF, sino los compuestos intermedios que se forman durante el propio proceso de hidrogenación. Esto abre nuevas vías para la investigación en la creación de materiales de almacenamiento de hidrógeno altamente eficientes y rentables.
El proyecto, implementado en el marco del Programa Federal Específico de Cooperación Científica entre la Federación Rusa y los Países Africanos (acuerdo 075-15-2024-654), contó con la participación de investigadores del Centro Federal de Investigación de Problemas de Física Química y Química Medicinal de la Academia de Ciencias de Rusia, el Instituto de Problemas de Tecnología Microelectrónica y Materiales de Alta Pureza de la Academia de Ciencias de Rusia (Chernogolovka) y la Universidad del Cabo Occidental (Sudáfrica).
Fuente: Centro Federal de Investigación de Problemas de Física Química y Química Medicinal de la Academia de Ciencias de Rusia.
