Electrólisis: Cómo producir mejores electrodos

Otro paso adelante para las energías renovables: La producción de hidrógeno verde podría ser aún más eficiente en el futuro

15.05.2020 - Alemania

Aplicando un paso de proceso inusual, los químicos de la Universidad Martín Lutero de Halle-Wittenberg (MLU) han encontrado una forma de tratar materiales de electrodos baratos y mejorar considerablemente sus propiedades durante la electrólisis.

Se cree que el hidrógeno es la solución al problema de almacenamiento de las energías renovables. Puede ser producido en electrolizadores locales, almacenado temporalmente y luego muy eficientemente convertido de nuevo en electricidad en una pila de combustible. También sirve como una importante materia prima en la industria química. Sin embargo, la producción ecológica de hidrógeno todavía se ve obstaculizada por la mala conversión de la electricidad suministrada. "Una razón es que la carga dinámica de la electricidad fluctuante del sol y el viento empuja rápidamente a los materiales a sus límites. Los materiales catalizadores baratos se vuelven rápidamente menos activos", dice el Profesor Michael Bron del Instituto de Química de la MLU, explicando el problema básico.

Su grupo de investigación ha descubierto ahora un método que aumenta significativamente tanto la estabilidad como la actividad de los económicos electrodos de hidróxido de níquel. El hidróxido de níquel es una alternativa barata a los catalizadores muy activos, pero también caros, como el iridio y el platino. La literatura científica recomienda calentar el hidróxido hasta 300 grados. Esto aumenta la estabilidad del material y lo convierte parcialmente en óxido de níquel. Temperaturas más altas destruirían completamente el hidróxido. "Queríamos ver esto con nuestros propios ojos y gradualmente calentamos el material en el laboratorio hasta los 1.000 °C", dice Bron.

A medida que las temperaturas aumentaban, los investigadores observaron los cambios esperados en las partículas individuales bajo el microscopio electrónico. Estas partículas se convirtieron en óxido de níquel, crecieron juntas para formar estructuras más grandes y, a temperaturas muy altas, formaron patrones que recordaban a los cruces de cebra. Sin embargo, las pruebas electroquímicas mostraron sorprendentemente un nivel de actividad constantemente alto de las partículas, que ya no debería haber sido utilizable en la electrólisis. Por regla general, las grandes superficies y, por lo tanto, las estructuras más pequeñas son más activas durante la electrólisis. "Por lo tanto, atribuimos el alto nivel de actividad de nuestras partículas mucho más grandes a un efecto que, sorprendentemente, sólo se produce a altas temperaturas: la formación de defectos de óxido activo en las partículas", dice Bron.

Utilizando la cristalografía de rayos X, los investigadores descubrieron cómo la estructura cristalina de las partículas de hidróxido cambia a medida que aumenta la temperatura. Concluyeron que cuando se calientan hasta los 900 °C, punto en el que las partículas exhiben el mayor nivel de actividad, los defectos sufren un proceso de transición que se completa a los 1.000 °C. En este punto la actividad vuelve a disminuir repentinamente.

Bron y su equipo confían en haber encontrado un enfoque prometedor ya que, incluso después de repetidas mediciones después de 6.000 ciclos, las partículas calentadas todavía generaban un 50 % más de electricidad que las partículas no tratadas. A continuación, los investigadores quieren utilizar la difracción de rayos X para comprender mejor por qué estos defectos aumentan tanto la actividad. También están buscando formas de producir el nuevo material para que las estructuras más pequeñas se mantengan incluso después del tratamiento térmico.

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Publicación original

Steimecke, Matthias et al.; "Higher-Valent Nickel Oxides with Improved Oxygen Evolution Activity and Stability in Alkaline Media Prepared by High-Temperature Treatment of Ni(OH)2"; ACS Catalysis; 2020

https://www.quimica.es/noticias/1166308/electrolisis-como-producir-mejores-electrodos.html