Un electrocatalizador duradero y barato genera hidrógeno y oxígeno limpios a partir del agua
El hidrógeno es un gas altamente combustible que puede ayudar al mundo a alcanzar sus objetivos de energía limpia si se fabrica de forma responsable con el medio ambiente. El principal obstáculo para crear hidrógeno gaseoso a partir del agua es la gran cantidad de energía necesaria para la electrólisis del agua, o división de las moléculas de agua en hidrógeno gaseoso (H2) y oxígeno (O2). Se ha fabricado de forma sencilla y rentable un nuevo electrocatalizador hecho de níquel (Ni), hierro (Fe) y silicio (Si) que disminuye la cantidad de energía necesaria para sintetizar H2 a partir del agua, lo que aumenta la viabilidad del H2 como energía limpia y renovable del futuro.
La magadiita de arcilla natural que contiene silicio (Si) se calentó en un recipiente sellado en una solución acuosa que contenía cloruro de hierro (FeCl3) y cloruro de níquel (NiCl2) para crear un silicato metálico compuesto de níquel (Ni), hierro (Fe) y Si. A continuación, el silicato metálico se redujo añadiendo electrones a los átomos de silicato metálico con magnesio, sal y calor para crear la estructura más organizada del siliciuro intermetálico (siliciuro férrico-níquel). El gráfico ilustra el menor voltaje necesario para que el electrocatalizador de aleación de siliciuro de níquel y hierro (FeNiSi) produzca hidrógeno y oxígeno gaseosos en comparación con las aleaciones de NiSi y FeSi.
Nano Research Energy, Tsinghua University Press
La mayor parte del H2 que se produce hoy en día procede de combustibles fósiles, lo que contribuye al calentamiento global. La producción de H2 a partir del agua mediante la reacción de evolución del hidrógeno (HER) requiere el uso de un catalizador, o agente que reduce la cantidad de energía necesaria para una reacción química. Hasta hace poco, estos catalizadores estaban compuestos por metales de tierras raras, como el platino, lo que reducía la rentabilidad y la viabilidad de la producción limpia de hidrógeno. Un grupo de científicos de materiales de la Universidad Tecnológica de Dalian (China) fabricó un electrocatalizador, o catalizador que utiliza electricidad, empleando materiales y métodos baratos para reducir eficazmente la energía necesaria para generar H2 limpio a partir del agua. Y lo que es más importante, la aleación o mezcla de siliciuro de hierro y níquel (FeNiSi) también reduce la energía necesaria para generar O2 a partir del agua, con lo que el catalizador es bifuncional.
Los investigadores publicaron su estudio en Nano Research Energy el 3 de noviembre de 2023.
"Lo que realmente limita el desarrollo y la aplicación práctica de la tecnología de electrólisis del agua son los materiales electrocatalíticos. En la actualidad, los catalizadores comunes, como los metales preciosos..., son en su mayoría catalizadores de una sola función, lo que limita la aplicación práctica de la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno. Por ello, la investigación y el desarrollo de materiales electrocatalíticos bifuncionales eficaces, estables, baratos y respetuosos con el medio ambiente es un objetivo primordial en el campo de la electrocatálisis", afirma Yifu Zhang, autor principal del estudio e investigador de la Facultad de Química de la Universidad Tecnológica de Dalian.
Las aleaciones de siliciuros de metales de transición son compuestos únicos que se utilizan habitualmente en campos relacionados con la energía, se producen a bajo coste y resultan prometedores como potenciales electrocatalizadores de la hidrólisis del agua. Estas aleaciones están formadas por metales de transición, que son excelentes catalizadores que donan y aceptan electrones libremente en las reacciones químicas, y átomos de Si, que mejoran la estabilidad, la resistencia al calor y la accesibilidad de los átomos de metales de transición de la aleación cuando se aplica electricidad.
El Fe y el Ni, dos metales de transición, son idóneos para su uso en un siliciuro de metales de transición para la división del agua. "El siliciuro de níquel ha sido... profundamente estudiado por su baja resistencia y alta actividad metálica, especialmente... en campos electroquímicos. Además, muchos estudios recientes han demostrado que los materiales basados en Fe-Ni tienen un potencial considerable en el campo de la división electroquímica del agua. El objetivo de este trabajo era desarrollar una ruta de bajo coste y respetuosa con el medio ambiente para preparar siliciuro de hierro y níquel como catalizador bifuncional de agua electrolítica (EWS)", afirmó Zhang.
El equipo de investigación fabricó FeNiSi en dos pasos. En primer lugar, la arcilla natural magadiita, fuente de silicio, el cloruro de hierro y el cloruro de níquel se calentaron a presión para crear un silicato de hierro y níquel. A continuación, el silicato férrico-níquel se combinó y calentó con cloruro de magnesio y sodio (sal de mesa) para desarrollar la estructura ordenada de la aleación FeNiSi. Cabe destacar que era la primera vez que se fabricaba una aleación siliciuro metálico mediante este tipo de reacción química utilizando silicatos metálicos como material de reacción.
Las técnicas de microscopía electrónica y caracterización por rayos X revelaron que el proceso de fabricación creaba muchas estructuras porosas en la aleación final de FeNiSi, lo que aumentaba su área superficial y su rendimiento electrocatalítico global. La aleación de FeNiSi disminuye el potencial necesario para separar el oxígeno y el hidrógeno del agua en 308 mV para la reacción de evolución del oxígeno (OER) y 386 mV para la HER, respectivamente, a una corriente de 10 mA-cm-2. El electrocatalizador también demostró ser eficaz en la reacción de evolución del oxígeno (OER). El electrocatalizador también demostró una durabilidad suficiente tras 15 horas de uso.
El equipo de investigación espera que el FeNiSi y otros silicatos de metales de transición contribuyan a la síntesis de hidrógeno gaseoso limpio para las futuras necesidades energéticas. "Este trabajo no sólo proporciona un método fácil para la síntesis de siliciuro intermetálico con estructuras porosas considerables, sino que también permite considerar el siliciuro intermetálico como un electrocatalizador bifuncional para EWS. Los electrocatalizadores de siliciuro intermetálico eficientes y de bajo coste ofrecerán nuevas oportunidades para... la conversión de energías renovables", afirmó Zhang.
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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