Hidrógeno verde: mejora de la estabilidad de los catalizadores de iridio con óxidos de titanio
Gran relevancia práctica
Los ánodos para la división electrolítica del agua suelen ser materiales a base de iridio. Con el fin de aumentar la estabilidad del catalizador de iridio, un equipo del HZB y un grupo del HI-ERN han creado una denominada biblioteca de materiales: una muestra en la que se varía sistemáticamente la concentración de óxidos de iridio y titanio. Los análisis de los segmentos individuales de la muestra en BESSY II, en el laboratorio EMIL, mostraron que la presencia de óxidos de titanio puede aumentar significativamente la estabilidad del catalizador de iridio.
Los átomos de iridio (rojo) están incrustados en diferentes óxidos de titanio, que garantizan una mayor estabilidad.
© Marianne van der Merwe
Iridio como catalizador del hidrógeno verde
Una opción para almacenar la energía del sol o del viento es la producción de hidrógeno "verde" por electrólisis. El hidrógeno almacena energía en forma química y la libera de nuevo al quemarse, sin producir gases de escape, sólo agua. En la actualidad, el iridio es el catalizador más moderno para esta reacción. Sin embargo, el iridio se disuelve cada vez más en el medio ácido de la célula de electrólisis, por lo que el efecto catalizador disminuye rápidamente.
"Queríamos investigar si la estabilidad del catalizador puede mejorarse añadiendo distintas proporciones de óxido de titanio", explica el Prof. Dr. Marcus Bär (HZB). Aunque el óxido de titanio no es catalíticamente activo, es muy estable. "Teníamos indicios de que la presencia de óxido de titanio tendría un efecto positivo en la estabilidad sin influir en el efecto catalítico del iridio. Pero también queríamos averiguar si existe una proporción de mezcla ideal".
La muestra como biblioteca de materiales
La muestra se fabricó en el Instituto Helmholtz de Erlangen-Nuremberg para Energías Renovables (HI-ERN) en el equipo de la profesora Dra. Olga Kasian mediante pulverización catódica de titanio e iridio con composiciones localmente variables. Se trata de una biblioteca de materiales de película fina en la que el contenido de iridio varía del 20% al 70%.
En BESSY II, el equipo utilizó métodos espectroscópicos de rayos X para analizar cómo cambia la estructura química en función del contenido de iridio de las muestras mixtas de óxido de iridio y titanio. Aquí influyeron varios efectos: por ejemplo, la presencia de subóxidos de titanio (como TiO y TiOx) mejoró la conductividad del material. Otro resultado interesante fue que algunos de los óxidos de titanio se disuelven más rápidamente en el electrolito acuoso que el iridio, creando microporos en la superficie. Esto favoreció la reacción de evolución del oxígeno porque más átomos de iridio de las capas inferiores entran en contacto con el electrolito.
Sin embargo, el efecto principal es que los óxidos de titanio (TiO2, así como TiO y TiOx) reducen significativamente la disolución del iridio. "En la muestra con un 30 % de titanio añadido, en comparación con un material de electrodo de iridio puro, observamos una resolución del iridio aproximadamente un 70 % menor", afirma Marianne van der Merwe, que realizó las mediciones en el marco de su doctorado con Marcus Bär.
Gran relevancia para la práctica
Pero, ¿hasta qué punto son relevantes para la industria estos resultados de la investigación de laboratorio? "Si ya hay tecnologías establecidas, siempre es difícil cambiar algo al principio", dice Marcus Bär. "Pero aquí demostramos cómo se puede aumentar significativamente la estabilidad de los ánodos con un esfuerzo manejable".
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.
Publicación original
Marianne van der Merwe, Raul Garcia-Diez, Leopold Lahn, R. Enggar Wibowo, Johannes Frisch, Mihaela Gorgoi, Wanli Yang, Shigenori Ueda, Regan G. Wilks, Olga Kasian, Marcus Bär; "The Chemical and Electronic Properties of Stability-Enhanced, Mixed Ir-TiOx Oxygen Evolution Reaction Catalysts"; ACS Catalysis, Volume 13, 2023-11-15
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