Electrocatálisis bajo el microscopio de fuerza atómica
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Un nuevo avance en microscopía de fuerza atómica permite ahora obtener simultáneamente imágenes del perfil de altura de estructuras nanométricas finas, así como de la corriente eléctrica y la fuerza de fricción en interfaces sólido-líquido. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y el Instituto Fritz Haber (FHI) de la Sociedad Max Planck ha logrado analizar materiales electrocatalíticamente activos y obtener información que ayudará a optimizar los catalizadores. El método también es potencialmente adecuado para estudiar procesos en electrodos de baterías, en fotocatálisis o en biomateriales activos.
El principio de la microscopía de fuerza atómica correlativa en modo de contacto: una punta fina en el extremo de un voladizo explora la superficie. Esto permite medir las interacciones de fuerza entre la punta y la superficie de la muestra, incluidas las fuerzas de fricción. Si además se aplica un voltaje, también puede medirse la corriente eléctrica que fluye a través del contacto.
M. Munz /FHI / HZB
Para gestionar la transición energética, también será importante desarrollar rápidamente materiales baratos y eficientes que puedan utilizarse para dividir el agua o elCO2 mediante electrocatálisis. En este proceso, parte de la energía eléctrica se almacena en los productos de la reacción química. La eficacia de estos electrocatalizadores depende en gran medida de la naturaleza de las interfaces electrodo-electrolito, es decir, las interfaces entre los electrodos sólidos y el electrolito, típicamente acuoso. Sin embargo, los estudios físicos espacialmente resueltos de estas interfaces sólido-líquido son todavía relativamente escasos.
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El Dr. Christopher S. Kley y su equipo han desarrollado un nuevo método de microscopía de fuerza atómica (AFM) correlativa. Una punta extremadamente afilada se desplaza por la superficie y se registra su perfil de altura. Al fijar la punta al extremo de un voladizo miniaturizado, pueden medirse con gran sensibilidad las interacciones de fuerza entre la punta y la superficie de la muestra, incluidas las fuerzas de fricción. Además, puede medirse la corriente eléctrica que fluye a través del contacto mecánico, siempre que se aplique un voltaje. "Esto nos permitió determinar simultáneamente la conductividad eléctrica, la fricción mecánico-química y las propiedades morfológicas in situ (es decir, en las condiciones pertinentes de la fase líquida y no en el vacío o en el aire)", subraya Kley.
Electrocatalizador de cobre y oro
Con este método, los científicos han estudiado ahora un electrocatalizador nanoestructurado y bimetálico de cobre-oro, en colaboración con la profesora Beatriz Roldán Cuenya, del Instituto Fritz-Haber (FHI). Estos materiales se utilizan, entre otras cosas, en la conversión electrocatalítica deCO2 en portadores de energía. "Pudimos identificar claramente islas de óxido de cobre con mayor resistencia eléctrica, pero también límites de grano y regiones de baja conductividad en la capa de hidratación, donde la superficie del catalizador entra en contacto con el electrolito acuoso", afirma el Dr. Martin Munz, primer autor del estudio.
Estos resultados sobre las interfaces catalizador-electrolito ayudan a optimizarlas de forma selectiva. "Ahora podemos observar cómo influyen los entornos electroquímicos locales en la transferencia de carga en la interfaz", afirma Kley.
Las interfaces sólido-líquido en el punto de mira
"Sin embargo, nuestros resultados también son de interés general para la investigación energética, especialmente para el estudio de los procesos de conversión electroquímica, que también desempeñan un papel en los sistemas de baterías". El conocimiento de las interfaces sólido-líquido también puede ser útil en áreas de investigación completamente distintas, como la comprensión de los procesos de corrosión, los sistemas de nanosensores y, posiblemente, la resolución de cuestiones científicas en fluídica y ciencias medioambientales, como los procesos de disolución o deposición en superficies metálicas expuestas al agua.
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