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Jul 01, 2023

Angel Garcia

La investigación de García-Esparza ofrece conocimientos únicos sobre catalizadores relevantes para la generación de energía renovable y materiales emergentes para la microelectrónica. Por Chris Patrick Analizando un catalizador mientras lo hace

La investigación de García-Esparza ofrece conocimientos únicos sobre catalizadores relevantes para la generación de energía renovable y materiales emergentes para la microelectrónica.

Por Chris Patricio

Analizar un catalizador mientras hace su trabajo en una reacción química no es tarea fácil. En cambio, los investigadores suelen confiar en análisis “post mortem”, comparando el catalizador antes y después de una reacción y reconstruyendo lo que le sucedió.

Ángel García-Esparza, sin embargo, utiliza rayos X producidos por la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford (SSRL) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía para monitorear cómo se comportan los catalizadores y los materiales energéticos durante las reacciones químicas en diferentes entornos, como en las energías renovables. tecnologías de conversión y el desarrollo de microelectrónica de próxima generación.

Su trabajo le valió el premio Spicer Young Investigator Award 2023 de la SSRL. Está gratamente sorprendido de unirse a la compañía de ganadores anteriores.

“Leí la lista de los ganadores anteriores y son personas increíbles y trabajadoras. Estoy familiarizado con la calidad de la ciencia que se hace en SLAC. Que SSRL-SLAC reconozca nuestro trabajo es simplemente un honor”, ​​dijo García-Esparza, científico del proyecto en SSRL.

Pero también se apresura a señalar que su trabajo, que implica llevar a cabo experimentos complicados en las estaciones finales SSRL y desarrollar marcos teóricos para interpretar datos sin precedentes, sólo es posible con la estrecha colaboración de su comunidad en SLAC.

"Es como una sinfonía", dijo. “Todos se ayudan unos a otros y hacen su parte para que todo funcione en armonía. Mi nombre aparece en el premio, pero es gracias a SLAC y a nuestro grupo en SSRL en particular”.

Ángel García-Esparza (Jacqueline Orrell/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC)

García-Esparza está especialmente interesado en desarrollar y caracterizar catalizadores para energías renovables. Los electrocatalizadores, en particular, ayudan en una reacción química conocida como división del agua, en la que la electricidad producida con una forma de energía renovable, ya sea sol, viento o agua, se utiliza para descomponer las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Luego, el hidrógeno se puede almacenar y utilizar como forma de energía libre de combustibles fósiles.

"Los electrocatalizadores son clave para el desarrollo de una economía de energía renovable no sólo en Estados Unidos, sino en el mundo", dijo García-Esparza.

El platino es uno de esos electrocatalizadores. Este catalizador también se utiliza en vehículos de pila de combustible. Para cualquiera de estas aplicaciones, los investigadores necesitan que el platino permanezca estable durante largos períodos de tiempo sin importar las condiciones.

Si bien el rendimiento catalítico del platino en condiciones ácidas ha sido ampliamente documentado, los estudios en condiciones alcalinas fueron mucho menos completos. Utilizando espectroscopía de absorción de rayos X en SSRL, García-Esparza y ​​sus colegas demostraron cómo el platino se degrada más rápido en condiciones alcalinas.

"Abordó una brecha de conocimiento en la comprensión de los mecanismos de degradación en ambientes ácidos versus básicos", escribió Dimosthenis Sokaras en la carta de nominación de García-Esparza. Sokaras, científico senior de SSRL, nominó a García-Esparza por “su dedicación, enfoque innovador e investigación”.

Sus hallazgos ayudarán a los investigadores a diseñar catalizadores más eficientes y duraderos para la conversión de energía, pero se extenderán más allá del platino.

García-Esparza también está siendo reconocido por su estudio de la degradación de un material diferente, el disulfuro de molibdeno bidimensional, como parte de un proyecto de investigación colaborativo entre Xiaolin Zheng de la Universidad de Stanford y Sokaras que fue financiado por el Instituto de Energía Precourt. El uso de este material atómicamente delgado permitiría a la microelectrónica superar las limitaciones de tamaño actuales, pero simplemente no hay suficiente sustancia en una sola capa de muestra de disulfuro de molibdeno 2D para probarla con los métodos de rayos X actuales.

Para superar esto, García-Esparza ayudó a desarrollar y optimizar un nuevo instrumento que fue capaz de medir este material súper delgado o diluido con espectroscopía de absorción de rayos X en condiciones de reacción por primera vez.

"Pudimos capturar los hermosos espectros de estos materiales atómicamente delgados, lo que fue un desafío muy difícil en sí mismo", dijo sobre este avance.

Una vez que García-Esparza y ​​sus colegas demostraron que podían obtener los espectros de una sola capa de disulfuro de molibdeno 2D, determinaron cómo la adición de oxígeno o hidrógeno afectaba las muestras a diferentes temperaturas. Incluso en niveles bajos de oxígeno, García-Esparza encontró que el material se oxidaba más rápido de lo esperado debido a los rastros de especies de óxido presentes en la muestra. La eliminación previa de las impurezas del disulfuro de molibdeno produjo muestras más estables a temperaturas más altas, lo que sugiere que los futuros dispositivos basados ​​en este material deben estar libres de óxido para evitar una rápida degradación en la microelectrónica.

García-Esparza también mostró cómo el gas hidrógeno elimina los átomos de azufre del disulfuro de molibdeno 2D, ajustando efectivamente sus propiedades electrónicas.

“Aclaramos el mecanismo de formación de la vacante de azufre en el disulfuro de molibdeno y describimos su identidad estructural atómica, que es clave para optimizar su aplicación en sistemas electrónicos, ópticos y catalíticos”, dijo García-Esparza.

También informó sobre la caracterización electroquímica de estos sitios vacantes de azufre, que son sitios catalíticos activos para la producción de hidrógeno a partir de la división del agua, en ACS Nano y Advanced Science.

"Dr. Ángel T. García-Esparza ha elevado continuamente las ventajas únicas de la espectroscopía de rayos X avanzada en SSRL para realizar caracterizaciones de operando de materiales energéticos en condiciones de reacción reales”, escribió Sokaras, quien también tomó nota del espíritu de colaboración y los esfuerzos de tutoría de García-Esparza dentro la comunidad SSRL.

El Premio Spicer se entregará a García-Esparza durante la Reunión Anual de Usuarios y Talleres de SSRL/LCLS 2023 en SLAC, que se llevará a cabo del 25 al 29 de septiembre. El premio lleva el nombre del fallecido William Spicer, cofundador de lo que se convertiría en SSRL, y su esposa Diane.

SSRL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Si tiene preguntas o comentarios, comuníquese con la Oficina de Comunicaciones de SLAC en [email protected].

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