Un nuevo catalizador descubre el poder oculto del agua para la generación de hidrógeno verde.

La electrólisis del agua ofrece una forma de producir hidrógeno verde que puede funcionar con fuentes renovables y electricidad limpia. Este proceso requiere catalizadores catódicos y anódicos para catalizar las reacciones ineficientes de dividir y recombinar el agua en hidrógeno y oxígeno, respectivamente. Desde su descubrimiento inicial a finales del siglo XVIII^Th siglo, la electrólisis del agua ha dominado la cantidad en diversas tecnologías. Una de las implementaciones más prometedoras de la electrólisis del agua es la membrana de intercambio de protones (PEM), que puede producir hidrógeno verde combinando una alta velocidad y una alta eficiencia energética.

Hasta la fecha, la electrólisis del agua, y en particular la PEM, ha requerido catalizadores basados ​​en elementos escasos y raros, como el platino y el iridio. Sólo unos pocos compuestos combinan la actividad y la estabilidad deseadas en el duro entorno químico impuesto por esta reacción. Esto es particularmente desafiante en el caso de los catalizadores anódicos, que tienen que operar en ambientes ácidos altamente corrosivos, condiciones en las que solo los óxidos de iridio han mostrado un rendimiento estable en las condiciones industriales deseadas. Pero el iridio es uno de los elementos más raros de la Tierra.

En busca de una posible solución, un equipo de científicos dio recientemente un paso importante para encontrar alternativas a los catalizadores de iridio. Este equipo multidisciplinar ha podido desarrollar una nueva forma de dotar de actividad y estabilidad a un catalizador sin iridio utilizando las propiedades del agua hasta ahora inexploradas. El nuevo catalizador, por primera vez, logra estabilidad en la electrólisis del agua PEM en condiciones industriales sin el uso de iridio.

Este desarrollo, publicado en cienciaRealizado por los investigadores del ICFO Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anko Guha, Dra. Victoria Golvanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M. Das y Adrian Pinella Sanchez, y dirigido por el profesor del ICFO Dr. F. Paleo García de Arcar; E incluye importantes aportaciones del Instituto de Investigación Química de Cataluña (ICIQ), el Instituto Catalán de Ciencia y Tecnología (ICN).₂), el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), Diamond Light Source y el Instituto de Materiales Avanzados (INAM).

Lidiar con la acidez

Es difícil combinar actividad y estabilidad en ambientes altamente ácidos. Los metales se disuelven del catalizador, ya que la mayoría de los materiales no son termodinámicamente estables en ambientes acuosos a pH bajo y potencial aplicable. Los óxidos de iridio combinan actividad y estabilidad en estas duras condiciones, y es por eso que son la opción predominante para los ánodos en la electrólisis del agua por intercambio de protones.

Encontrar alternativas al iridio no es sólo un desafío importante, sino un desafío fundamental. La investigación intensiva que explora catalizadores sin iridio ha dado lugar a nuevos conocimientos sobre los mecanismos de reacción y la degradación, particularmente con el uso de estas sondas combinadas con modelos computacionales para estudiar los catalizadores durante la operación. Esto condujo a resultados prometedores utilizando materiales basados ​​en manganeso y óxido de cobalto, y aprovechó diferentes estructuras, composiciones y dopantes para modificar las propiedades fisicoquímicas del catalizador.

Curiosamente, la mayoría de estos estudios se realizaron en Básico Sobre reactores no expandibles y en funcionamiento. suave Condiciones que están lejos de su aplicación final, especialmente en términos de densidad de corriente. La demostración de actividad y estabilidad con catalizadores sin iridio en reactores PEM y en condiciones operativas relacionadas con PEM (alta densidad de corriente) ha sido inútil hasta la fecha.

ICFO, ICIQ, ICN para superar esto₂, investigadores del CNRS, Diamond Light Source y el INAM presentaron un nuevo enfoque en el diseño de catalizadores sin iridio, logrando actividad y estabilidad en medios ácidos. Su estrategia, basada en el cobalto (abundante y barato), era bastante distinta a las rutas habituales.

“El diseño tradicional de catalizadores generalmente se enfoca en cambiar la estructura o composición de los materiales utilizados. Aquí, adoptamos un enfoque diferente. Diseñamos un nuevo material que reacciona en sus componentes (agua y sus fragmentos). Se descubrió que la incorporación “La incorporación de agua y fragmentos de agua en la estructura del catalizador se puede diseñar para proteger el catalizador en estas duras condiciones, de modo que se pueda permitir un funcionamiento industrial estable a altas densidades de corriente relevantes para las aplicaciones”, explica el profesor García de Arcar del ICFO. . Con su técnica, que implica un proceso de delaminación que intercambia parte del material con agua, el catalizador resultante existe como una alternativa viable a los catalizadores a base de iridio.

Un nuevo enfoque: el proceso de delaminación

Para obtener el catalizador, el equipo examinó un óxido de cobalto especial: óxido de cobalto-tungsteno (CoWO₄), o CWO para abreviar. Sobre este material de partida, diseñaron un proceso de deslaminación utilizando soluciones básicas acuosas mediante las cuales los óxidos de tungsteno (WO₄^2-) se eliminará de la red y el agua (H₂O) e hidroxilo (OH^–) grupos en el entorno primario. El proceso se puede adaptar para incorporar cantidades variables de H.₂O y OH^– en el catalizador, que luego se agregará a los electrodos del ánodo.

El equipo combinó diferentes espectroscopias basadas en fotones para comprender esta nueva clase de materiales durante la operación. Utilizando rayos infrarrojos Raman y rayos X, entre otros, pudieron evaluar la presencia de Atrapado Obtener información sobre el agua y los grupos hidroxilo, y sus funciones a la hora de impartir actividad y estabilidad a la división del agua en ácidos. “Poder detectar el agua atrapada fue un verdadero desafío para nosotros”, continúa el coautor principal, el Dr. Anku Guha. “Usando espectroscopía Raman y otras técnicas basadas en luz, finalmente vimos que había agua en la muestra. Pero no era agua “libre”, sino agua confinada. Algo que tuvo un efecto profundo en el rendimiento.

A partir de estos conocimientos, comenzó a trabajar en estrecha colaboración con expertos colaboradores en modelado de catalizadores. “El modelado de materiales activados es un desafío debido a los grandes reordenamientos estructurales que ocurren. En este caso, la delaminación utilizada en el tratamiento de activación aumenta el número de sitios activos y cambia el mecanismo de reacción que hace que el material sea más activo. Estos materiales requieren un mapeo detallado , observaciones experimentales y simulaciones”, afirma la profesora Noria López del ICIQ. Sus cálculos, dirigidos por el Dr. Hind Benzidi, coautor principal, fueron fundamentales para comprender cómo los materiales delaminados protegidos contra el agua no sólo eran termodinámicamente seguros de la disolución en ambientes altamente ácidos, sino que también eran funcionales.

¿Pero, cómo es esto posible? Básicamente, al eliminar el óxido de tungsteno se deja un agujero, exactamente donde se encontraba anteriormente. Aquí es donde ocurre la “magia”: el agua y el hidróxido, que abundan en el medio, llenan espontáneamente los huecos. Esto, a su vez, protege la muestra, ya que hace que la disolución del cobalto sea un proceso desfavorable, manteniendo unidos de manera efectiva los componentes del catalizador.

Luego, recogieron el catalizador deslaminado en un reactor PEM. El rendimiento inicial fue realmente notable, logrando mayor actividad y estabilidad que cualquier técnica anterior. “Aumentamos la densidad de corriente cinco veces, alcanzando 1 A/cm.² — Una marca muy difícil en el campo. Pero lo más importante es que alcanzamos más de 600 horas de estabilidad con una densidad tan alta. Por lo tanto, hemos alcanzado la mayor densidad de corriente y también la mayor estabilidad para los catalizadores sin iridio”, explica el coautor principal, el Dr. Lu Xia.

“Al comienzo del proyecto, teníamos curiosidad sobre el papel potencial del agua en sí. el elefante en el cuarto en la electrólisis del agua”, explica Ranit Ram, primer autor del estudio y creador de la idea inicial. “Hasta ahora nadie había producido activamente agua y agua interfacial de esta manera”. cambiador de juego.

Aunque el tiempo de estabilidad aún está lejos de los PEM industriales actuales, es un gran paso para no depender del iridio o elementos similares. En particular, su trabajo aporta nuevos conocimientos al diseño de PEM de electrólisis de agua, ya que destaca el potencial de abordar la ingeniería de catalizadores desde otra perspectiva. Explotar activamente las características del agua.

Hacia la industrialización

El equipo ve tanto potencial en la técnica que ya han solicitado una patente, con el objetivo de llevarla a niveles de producción industrial. Sin embargo, son conscientes de lo inusual de dar este paso, como señala el profesor García de Arcer: “El cobalto, a pesar de ser más abundante que el iridio, sigue siendo un material muy problemático que, por lo que, si es necesario, exploraremos esta nueva estrategia”. “Trabajar en alternativas basadas en manganeso, níquel y muchos otros materiales e intentar diseñar catalizadores con ellos”.

A pesar de los nuevos desafíos que seguramente surgirán, el equipo está convencido del potencial de este proceso de delaminación y todos están comprometidos a lograr este objetivo. Ram, en particular, comparte: “En realidad, siempre quise impulsar las energías renovables, porque nos ayudarán como comunidad humana a luchar contra el cambio climático. Creo que nuestro estudio es un pequeño paso en la dirección correcta”.