Una lámina de carbono de un átomo de espesor, mejor conocida como grafeno, puede dividir el hidrógeno cien veces más eficientemente que los mejores catalizadores gracias a extrañas nano-crestas.
Gracias a las pequeñas ondas en su superficie, el grafeno puede dividir el hidrógeno cien veces mejor que cualquier catalizador químico conocido. Este grafeno acanalado podría usarse para desarrollar celdas de combustible de hidrógeno más efectivas y hacer que los procesos industriales sean más eficientes.
El grafeno es una capa de carbono de un átomo de espesor. Es esencialmente una rebanada de grafito. Debido a los fuertes enlaces mutuos de carbono, el grafito es una sustancia extremadamente no reactiva.
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El físico holandés-británico andres gema de la Universidad de Manchester y sus colegas tienen, sin embargo descubre que el grafeno, a pesar de sus fuertes enlaces, es químicamente increíblemente reactivo. Esto se debe a que el material nunca es completamente plano. Tiene pequeñas ondulaciones llamadas nanoripples o nanoripples. Esto permite que el grafeno divida el hidrógeno con la misma eficacia que los mejores catalizadores que tenemos hoy.
Abultado
Para demostrar esto, los investigadores produjeron grafeno con la menor cantidad de defectos posible. Esto es necesario para excluir que la actividad química sea causada por algo distinto a las crestas. Luego estiraron una lámina de grafeno sobre la parte superior de un recipiente microscópico lleno de moléculas de hidrógeno, cada una de las cuales constaba de dos átomos de hidrógeno.
El grafeno dividió las moléculas de hidrógeno en átomos individuales. Se amontonaron en el cuenco. Los átomos sueltos hicieron que la presión aumentara y que el grafeno sobresaliera. Los investigadores midieron el grado de protuberancia para calcular qué tan bien el grafeno convierte las moléculas de hidrógeno en átomos de hidrógeno.
Descubrieron que la capacidad por gramo de grafeno para dividir el hidrógeno era al menos cien veces mejor que los catalizadores de uso común como el cobre o la magnesia. Sin embargo, si compara la eficiencia de los catalizadores en relación con su área de superficie, el cobre sale ligeramente mejor que el grafeno.
Nervaduras
Geim y sus colegas también compararon una lámina de grafeno casi perfectamente plana con una lámina sobre una superficie de silicio con nanonervaduras. Vieron que solo la superficie con las nanoondas parecía dividir el hidrógeno.
Según Geim, el poder de las crestas podría extenderse más allá de su capacidad para hacer que el grafeno divida el hidrógeno de manera más eficiente. También podría significar algo para otras reacciones químicas y para otros materiales planos. “Los científicos vemos los materiales bidimensionales como formas hermosas y planas. Pero las ondas sacan a relucir una nueva propiedad en estos materiales”, dice Geim.
Nacido en Rusia, el físico holandés-británico Andre Geim es la única persona en la historia en ganar tanto el Premio Nobel como el Premio Ig Nobel. En 2010, junto con su estudiante de doctorado Konstantin Novoselov, ganó el Premio Nobel de Física por su investigación pionera en el grafeno. Diez años antes ya había ganado la contrapartida lúdica del premio a la levitando una rana. Geim siente algo por los animales de todos modos: en 2001 convirtió a su hámster Tisha en coautor de un publicación científica.
Aunque ha habido indicios de que el grafeno podría ser un buen catalizador, esta investigación muestra claramente que las crestas son la causa, dice el nanotecnólogo. Andrés Ferrari de la Universidad de Cambridge. «Estas mediciones directas parecen probar lo que hasta ahora ha sido una intuición o una conclusión incompletamente probada».
Catalizador más duradero
“La mayoría de las reacciones químicas industriales son impulsadas por catálisis, por lo que si producimos catalizadores basados en carbono puro, que son muy, muy activos, como argumentan los investigadores en este artículo, podrían cambiar muchos procesos industriales”, dice el químico. Andrés Khlobystov de la Universidad de Nottingham. La división del hidrógeno, que tiene lugar en las celdas de combustible de hidrógeno para producir electricidad limpia, es solo un ejemplo.
El grafeno también podría ser una opción mucho más sostenible que los catalizadores actuales, que a menudo consisten en metales raros, dice Khlobystov. Y si incrustas algunos de esos metales en láminas de grafeno, podrían hacer su trabajo aún mejor, sugiere. Sin embargo, la producción del grafeno puro utilizado en estos experimentos es actualmente mucho más cara que la de los catalizadores metálicos convencionales, dice Khlobystov.