El artículo presenta información innovadora investigacion Científicos de WPI han desarrollado un material único que utiliza átomos de níquel y cobalto para eliminar selectivamente la urea del agua y convertirla potencialmente en hidrógeno gaseoso. Esta innovación aborda los desafíos ambientales asociados con la urea, ofreciendo una doble solución: mitiga su impacto nocivo en las escorrentías agrícolas y las aguas residuales, a la vez que libera su potencial para la producción sostenible de hidrógeno. El innovador diseño del electrocatalizador, que supera un obstáculo histórico, aumenta la eficiencia energética de la electrólisis de la urea. La investigación no solo contribuye a la sostenibilidad ecológica, sino que también demuestra la aplicación práctica de la urea en la producción de hidrógeno, mostrando su potencial impacto en la relación agua-energía.
¿Es esta combinación de níquel y cobalto la clave para obtener hidrógeno verde a partir de urea?
Científicos del WPI Han sido pioneros en un material innovador diseñado para extraer urea del agua y potencialmente transformarla en gas hidrógeno. Este innovador enfoque implica la construcción de materiales utilizando átomos de níquel y cobalto con estructuras electrónicas diseñadas con precisión. Este avance libera la capacidad de los óxidos e hidróxidos de metales de transición para oxidar selectivamente la urea en una reacción electroquímica.
El equipo, dirigido por Xiaowei Teng, profesor James H. Manning de Ingeniería Química en WPI, publicó recientemente sus hallazgos en la revista Journal of Physical Chemistry Letters, obteniendo un lugar destacado en la portada suplementaria de la publicación. La urea, un fertilizante agrícola nitrogenado rentable y un subproducto natural del metabolismo humano, desempeña un doble papel en el impacto ambiental.
La escorrentía agrícola rica en urea y el vertido de aguas residuales municipales contribuyen a la eutrofización, lo que provoca floraciones de algas nocivas y zonas muertas hipóxicas que amenazan los ecosistemas acuáticos y la salud humana. Sin embargo, las características únicas de la urea también la convierten en una candidata prometedora para el almacenamiento de hidrógeno, ofreciendo una posible solución para la producción de hidrógeno a demanda.
La urea posee propiedades no tóxicas, alta solubilidad en agua y un contenido sustancial de hidrógeno (6.7 % en peso). Por consiguiente, su uso por electrólisis en la producción de hidrógeno resulta más eficiente energéticamente y económico que la electrólisis tradicional del agua.
Un desafío persistente en la electrólisis de urea ha sido la falta de electrocatalizadores asequibles y altamente eficientes capaces de oxidar selectivamente la urea en lugar del agua. Teng y su equipo han abordado este obstáculo desarrollando electrocatalizadores compuestos por átomos de níquel y cobalto que interactúan sinérgicamente con estructuras electrónicas únicas, lo que facilita la electrooxidación selectiva de urea.
La investigación del equipo WPI se centró en óxidos e hidróxidos homogéneos de níquel y cobalto, enfatizando el papel crucial de las estructuras electrónicas personalizadas con especies dominantes Ni2+ y Co3+ para mejorar la actividad electroquímica y la selectividad para la oxidación de la urea.
Teng explicó: «Esta configuración electrónica es un factor crucial para mejorar la selectividad de la oxidación de la urea. Una valencia de níquel más alta, como la del Ni₃₄, facilita una reacción rápida con una salida de corriente eléctrica robusta, pero una parte significativa de la corriente proviene de la oxidación indeseable del agua».
En colaboración con Aaron Deskins, profesor de ingeniería química en WPI, los investigadores realizaron simulaciones computacionales para obtener información más detallada. Los resultados mostraron que la mezcla homogénea de óxidos e hidróxidos de níquel y cobalto favoreció la redistribución electrónica, creando un entorno más favorable para la interacción de los catalizadores de Ni/Co con las moléculas de urea y agua.
La urea, un importante fertilizante nitrogenado y aditivo alimentario, se produce comercialmente desde la década de 1920, y en 2021 se fabricaron aproximadamente 180 millones de toneladas métricas. Curiosamente, la urea también puede derivarse de fuentes naturales, ya que un ser humano adulto produce 1.5 litros de orina al día, lo que equivale a 11 kg de urea y 0.77 kg de gas hidrógeno al año.
Las implicaciones de los hallazgos del equipo del WPI son profundas. Podrían allanar el camino para el uso de la urea presente en flujos de residuos para producir hidrógeno de forma eficiente mediante el proceso de electrólisis. Además, este avance tiene el potencial de secuestrar la urea del agua, contribuyendo a la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas ecológicos y revolucionando la relación agua-energía.
Este trabajo innovador fue posible gracias al apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo el número de premio 2236704.
