Aumento de la actividad de los catalizadores
Una clave para producir hidrógeno verde de manera más eficiente
Una capa tan fina como un solo átomo hace una gran diferencia: En la superficie de un electrodo, duplica la cantidad de agua dividida en un sistema de electrólisis sin aumentar los requerimientos de energía. Así, la capa ultrafina también duplica la cantidad de hidrógeno producido sin aumentar los costos. Investigadores de Jülich, Aachen, Stanford y Berkeley informan sobre esto en la última edición de la revista Nature Materials.
Investigadores de Jülich, Aachen, Stanford y Berkeley han estudiado la estructura en capas de un material catalizador (las capas individuales se muestran a la izquierda; la estructura cristalina completa se muestra a la derecha) y han encontrado que una capa superficial atómicamente fina puede duplicar la actividad de la reacción de división del agua.
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"Estudiando un material modelo pudimos obtener una comprensión más detallada de cómo las propiedades de un electrodo catalíticamente activo resultan de su estructura", dice Christoph Bäumer, primer autor del estudio. Financiado por una "Beca Global" de las Acciones Marie Skłodowska-Curie, realizó su investigación en Jülich y Aachen, así como en los EE.UU. "Con esta comprensión ampliada, esperamos que en el futuro se puedan desarrollar mejores catalizadores para producir hidrógeno verde de manera más eficiente desde el punto de vista energético y, por lo tanto, más rentable", explican los científicos de materiales.
El gas de hidrógeno incoloro se conoce como hidrógeno verde si se produce de forma neutra para el clima, utilizando electricidad de fuentes renovables para la electrólisis del agua. El hidrógeno se considera un componente esencial de la transición energética, en parte porque puede almacenar energía eólica y solar en momentos de exceso de oferta para ser liberada más tarde. Sin embargo, la producción electrolítica de hidrógeno en el electrodo de carga negativa (cátodo) no puede tener lugar sin la generación de oxígeno en el electrodo de carga positiva (ánodo). Así pues, los catalizadores que favorecen este tipo de generación de oxígeno hacen que el proceso global sea más eficiente desde el punto de vista energético. Los elevados requisitos de energía han sido uno de los principales obstáculos para un amplio uso del hidrógeno hasta ahora.
El níquelato de lantano (LaNiO3), que pertenece a la clase de material perovskita, es uno de esos catalizadores. La estructura cristalina alterna entre capas de óxido de níquel y óxido de lantano. "Produjimos catalizadores de níquelato de lantano con mayor precisión y los estudiamos con más detalle que otros científicos antes", dice Felix Gunkel del Instituto Peter Grünberg, que dirigió las actividades de investigación en Jülich. Lo hicieron produciendo dos tipos diferentes de cristales de LaNiO3 de alta pureza: En un tipo, los cristales terminan en una superficie en la que sólo hay átomos de lantano y oxígeno. Los expertos se refieren a esto como la terminación del lantano. En el otro tipo, los átomos de níquel y oxígeno forman la superficie (terminación de níquel).
Resultó que un ánodo con terminación de níquel produce el doble de oxígeno al mismo tiempo que un electrodo con terminación de lantano igualmente grande. "Sorprendentemente, una sola capa de átomos de níquel y oxígeno es responsable de un considerable aumento de la actividad catalítica del material", dice Bäumer. El equipo de científicos también fue capaz de encontrar una razón para esto: Durante la electrólisis, se forma una capa desordenada y catalíticamente muy activa de dióxido de níquel en el cristal con terminación de Ni, que no puede formarse con terminación de lantano. Comparada con la estructura inicial, esta capa de dióxido de níquel recién formada tiene estados de unión ideales entre los iones de níquel y los iones de oxígeno o hidróxido, lo que aumenta la actividad. "Nuestros resultados indican que si se quiere desarrollar catalizadores particularmente activos, hay que tener en cuenta la terminación y los cambios estructurales resultantes en condiciones de funcionamiento también para otros materiales", dice William Chueh, profesor de la Universidad de Stanford.
Además, los resultados de la investigación muestran las palancas para determinar esta terminación en los materiales de perovskita: Una de ellas es la temperatura a la que se producen. Los científicos descubrieron que en el caso del níquelato de lantano, las altas temperaturas facilitan la terminación del lantano. "Para producir cristales con terminación de níquel, utilizamos un método que nos permite aplicar selectivamente una capa atómicamente fina de átomos de níquel a la superficie de un cristal con terminación de lantano", explica Bäumer.
Los investigadores sólo pudieron comprender sus hallazgos porque, por primera vez en la investigación de electrocatálisis, utilizaron un método que analiza la composición de la superficie del cristal por medio de ondas estacionarias de radiación de rayos X de sincrotrón. Estas ondas estacionarias pueden ser generadas por la interferencia de los rayos X incidentes y salientes. Un requisito previo para ello era la producción atómicamente precisa de un espejo de rayos X de LaNiO3 que constaba de 40 capas alternas, debajo de la capa activa que se iba a investigar. Los científicos utilizaron la Fuente de Luz Avanzada de Berkeley (EE.UU.) como fuente de rayos X. Los estados de unión optimizados entre los iones de níquel y los iones de oxígeno o hidróxido en la superficie de níquel modificada se hicieron evidentes por los cálculos realizados por los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park (EE.UU.).
El proyecto fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE, y Baeumer también recibió el apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea a través de una beca Marie Sklodowska-Curie.
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Publicación original
C. Baeumer, J. Li, Q. Lu, A. Liang, L. Jin, H. Martins, T. Duchoň, M. Glöß, S. M. Gericke, M. A. Wohlgemuth, M. Giesen, E. E. Penn, R. Dittmann, F. Gunkel, R. Waser, M. Bajdich, S. Nemšák, J. T. Mefford, W. C. Chueh; "Tuning electrochemially driven surface transformation in atomically flat LaNiO3 thin films for enhanced water electrolysis"; Nature Materials; 11 January 2021
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