Modelos de ánodos para la producción ecológica de hidrógeno
Avance de la producción ecológica de H2
Investigadores del Departamento de Ciencia de las Interfaces del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck realizaron experimentos con precatalizadores modelo definidos atómicamente para desvelar detalles intrincados de la reacción electrocatalítica de división del agua, con el objetivo de avanzar en la producción ecológica de H2.
Representación esquemática de un electrolizador con ánodo cristalino
© FHI
El cambio climático supone una grave amenaza para la humanidad, afecta a la vida de todos y exige medidas para implantar una economía energética más sostenible. La producción de energía "verde" es un ingrediente crucial. Sin embargo, la producción de energía debe ir acompañada de métodos económicos de almacenamiento y transporte. El hidrógeno "verde" (H2) sirve tanto de medio de almacenamiento como de medio de transporte, también cuando se transforma en otros productos industriales útiles o en vectores energéticos como el amoníaco. Puede producirse por electrólisis mediante la descomposición de moléculas de agua con energía eléctrica "verde". En la célula electrocatalítica, el hidrógeno molecular se genera en el cátodo, mientras que el ánodo produce oxígeno molecular (O2).
La producción de O2 en el ánodo es un proceso complejo de varios pasos, lo que dificulta el diseño de ánodos energéticamente eficientes. Por ello, la mayor parte de la investigación sobre la separación del agua se centra en el ánodo y no en el cátodo. En los electrolizadores reales, los ánodos poseen composiciones químicas y morfologías intrincadas, lo que impide la comprensión fundamental de los procesos de electrólisis, muy necesaria para su posterior optimización. Los datos pertinentes pueden ser difíciles de encontrar, como una aguja en un pajar. Para solucionar este problema, los científicos del Departamento de Ciencias de la Interfaz del FHI han puesto en práctica un enfoque experimental que sustituye el complejo ánodo por un sistema precatalizador modelo más sencillo.
En este enfoque, el ánodo precatalizador es una fina película de óxido cristalino bien definida, que permite variaciones controladas de su composición y estructura iniciales. Para garantizar su pureza, los ánodos se preparan en condiciones de vacío ultraalto, y todos los estudios posteriores se realizan en el mismo sistema experimental de caracterización sin exponer las muestras al aire ambiente. Esta rigurosa metodología protege el ánodo de la contaminación durante todo el experimento, evitando cualquier efecto adverso sobre los datos experimentales. Conocer las propiedades del ánodo con detalle atómico es un aspecto central del método. El objetivo principal es investigar los aspectos centrales de la catálisis de la división del agua, incluidos los detalles microscópicos mecanísticos de la reacción de formación de O2, los sitios activos, el envejecimiento del electrodo y el papel de la estructura y composición de la superficie del ánodo en el rendimiento de la división del agua. Más concretamente, es bien conocido en la bibliografía que se forma una capa de oxihidróxido en la superficie del catalizador en condiciones operando, pero aún se desconocen las características de esta capa y la estructura, grosor y composición óptimos. Sin embargo, se reconoce que durante la producción de O2 tiene lugar una transformación estructural unificadora, independientemente de la estructura inicial del precatalizador. Por otra parte, y tal como se describe en la presente contribución, las características específicas del ánodo precatalizador determinan la transformación que tiene lugar durante el funcionamiento y, en última instancia, la actividad y estabilidad a largo plazo del electrocatalizador.
Es bien sabido que la adición de hierro a los ánodos de óxido de cobalto mejora significativamente su rendimiento, aunque el mecanismo subyacente sigue siendo objeto de debate. Para optimizar los procesos de desdoblamiento del agua, es crucial comprender en profundidad el papel específico de la adición de hierro. Para alcanzar este objetivo, hemos realizado un estudio sobre ánodos de óxido de capa fina mixta cristalina, explorando diversas proporciones Co:Fe. La estructura plana y bien definida del ánodo nos permitió establecer una relación cuantitativa entre la composición del óxido, su estructura y el rendimiento en la formación de O2, haciendo evidente el efecto beneficioso de la adición de hierro. Los estudios de estabilidad revelaron además mejoras en el rendimiento atribuidas a la disolución del hierro, lo que finalmente hizo converger el catalizador hacia un ánodo estable de gran actividad.
El estudio aborda dos aspectos pertinentes de la tecnología de separación de agua, centrándose en la minimización de los costes asociados a la fabricación y funcionamiento del electrolizador. Mantener estos costes bajos avanzando hacia las condiciones de reacción alcalinas y los materiales abundantes en la Tierra es de crucial relevancia para una implantación generalizada de una economía energética basada en el H2. La tecnología actual de electrolizadores utiliza metales raros, iridio y platino para una electrólisis energéticamente eficiente. La sustitución de estos costosos metales por óxidos de cobalto y hierro, más baratos, reduciría el coste total de la separación del agua, lo que aumentaría el atractivo económico de este proceso. La eficiencia eléctrica es otro factor de coste crucial, que depende de la composición química y la morfología del electrodo. Este estudio pretende mejorar nuestra comprensión de las relaciones estructura-reactividad para un diseño racional del electrocatalizador.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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