Cuando los iones van de excursión: nuevos conocimientos sobre la cinética de solvación en las superficies de los electrocatalizadores
Crucial para el desarrollo de baterías y electrolizadores más eficientes, o para combatir la corrosión
El Departamento de Ciencias de la Interfaz del Instituto Fritz-Haber ha dado un paso más hacia la "Exploración de la cinética de solvatación dinámica en superficies de electrocatalizadores", como se detalla en su artículo de la revista Nature Communications. Entre otras reacciones, los investigadores se centraron en la cinética de solvatación iónica al evolucionar el hidrógeno verde y al oxidar el amoníaco verde, dos sustancias químicas clave en las transiciones energéticas verdes. Estos hallazgos son importantes porque nos ayudan a comprender mejor las vías que siguen los iones electrolíticos en su camino hacia las superficies sólidas. Conocer los valles y montañas y el número de caminos que encuentra el ion es crucial para desarrollar baterías y electrolizadores más eficientes o para luchar contra la corrosión. Imaginemos que pudiéramos seguir e incluso controlar el camino que recorren los iones para crear fuentes de energía más ecológicas, duraderas y potentes: estos nuevos conocimientos nos acercan a ese objetivo.
El camino del ion está muy influido por un proceso omnipresente en la bioquímica y la electroquímica: los iones tienen que reorganizar su capa de solvatación antes de intercalarse en los cátodos de las baterías, entrar en los canales iónicos de las membranas bioquímicas o adsorberse y convertirse en sustancias químicas, como el hidrógeno verde, en las superficies de los electrocatalizadores.
Anteriormente, el equipo descubrió que la cinética de la solvatación iónica interfacial se rige por los llamados efectos de compensación entre la entropía y la entalpía de activación. En otras palabras, a medida que aumenta la elevación de la montaña frente al ion, aumenta el número de rutas de senderismo disponibles, lo que hace más probable que el ion emprenda la caminata. Para llegar a estas conclusiones, el equipo interpretó la cinética según la física estadística y la ecuación de Eyring-Evans-Polanyi, la pieza central de la teoría de estados de transición de 1935, que fue codesarrollada por Michael Polanyi, jefe del Departamento de Química Física del FHI hasta 1933.
Ahora, casi 90 años después, los investigadores del Departamento de Ciencias de la Interfaz son capaces de trazar los dos parámetros clave de la teoría de los estados de transición, la entalpía de activación y la entropía de activación, con una resolución temporal de milisegundos. "Nuestros hallazgos son realmente sustanciales en muchos niveles fundamentales", afirma Francisco Sarabia, primer autor del estudio y becario postdoctoral Marie Curie. "Mediante esta técnica, podemos acceder directamente a la cinética de electrosorción de iones de hidróxido que se produce en motivos estructurales específicos de la superficie, por ejemplo, bordes escalonados o defectos, y mostrar cómo están relacionados con la cinética del electrocatalizador. Además, estudiamos el comportamiento dinámico de envenenamiento de la superficie de Pt durante la reacción de oxidación del amoníaco y cómo afecta a la cinética de solvatación. Este nivel de conocimiento había permanecido completamente oculto hasta ahora".
En general, el trabajo refuerza la idea de que los cambios de entropía de activación en la superficie del catalizador y en el disolvente interfacial son fundamentales para entender la actividad de los electrocatalizadores. Por ejemplo, el equipo descubrió que el pH puede influir directamente en la entropía de activación e inducir cambios de actividad no nernstianos con el pH. En la actualidad, se da por sentado que la energía de activación desempeña el papel principal en la dependencia de la polarización de las reacciones electrocatalíticas.
El Dr. Sebastian Öner, jefe de grupo del Departamento de Ciencias de la Interfaz y autor correspondiente del estudio, subraya además la importancia de estos hallazgos. "Abundantes pruebas de espectroscopia y microscopía operando, incluidas las de mis colegas de los Departamentos de Química Inorgánica y Ciencias de la Interfaz, demuestran que las superficies de los catalizadores son muy dinámicas. Más allá del estudio de la cinética de solvatación, ahora disponemos de una herramienta que podemos aplicar para captar información cinética real en tiempo real y superponerla a la información espectroscópica y microscópica."
La investigación del equipo destaca la importancia de los cambios dependientes del sesgo en el entorno local de los catalizadores, mostrando cómo la estructura sólida y el electrolito líquido están estrechamente interconectados y pueden influirse mutuamente. Esta comprensión global es crucial para desarrollar catalizadores con mayor actividad, selectividad y estabilidad.
El Departamento de Ciencias de la Interfaz, dirigido por la Prof. Dra. Beatriz Roldán Cuenya, se ha comprometido a seguir explorando estos conocimientos, con el potencial de influir significativamente en los campos de la energía y la tecnología de conversión química.
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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