Menos es más: por qué funciona tan bien un catalizador de iridio económico
Exploración de distintos entornos químicos
Para producir hidrógeno por electrólisis del agua se necesitan catalizadores a base de iridio. Ahora, un equipo de HZB ha demostrado que el nuevo catalizador P2X, que sólo necesita una cuarta parte de iridio, es tan eficaz y estable en el tiempo como el mejor catalizador comercial. Las mediciones realizadas en BESSY II han revelado ahora cómo el entorno químico especial del catalizador P2X durante la electrólisis favorece la reacción de evolución del oxígeno durante la división del agua.
Un equipo dirigido por HZB examinó dos nanocatalizadores diferentes basados en iridio para la electrólisis del agua: Un catalizador comercial de referencia (izquierda) y el catalizador P2X de nuevo desarrollo (derecha), que es más amorfo y necesita cuatro veces menos Iridio. Los datos espectroelectroquímicos muestran cómo los entornos químicos específicos difieren en ambos materiales y cómo influyen en la reacción de evolución del oxígeno.
© M. van der Merwe / HZB
En el futuro, el hidrógeno será necesario en un sistema energético climáticamente neutro para almacenar energía, como combustible y como materia prima para la industria química. Lo ideal sería producirlo de forma climáticamente neutra, utilizando la electricidad generada a partir del aprovechamiento de la energía solar o eólica, mediante la electrólisis del agua. A este respecto, la electrólisis del agua con membranas de intercambio de protones (PEM-WE) se considera actualmente una tecnología clave. Ambos electrodos se recubren con electrocatalizadores especiales para acelerar la reacción deseada. Los catalizadores a base de iridio son los más adecuados para el ánodo, donde se produce la lenta reacción de evolución del oxígeno. Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más raros de la Tierra, y uno de los principales retos es reducir significativamente la demanda de este metal precioso. Un análisis aproximado demostró que, para satisfacer la demanda mundial de hidrógeno para el transporte mediante la tecnología PEM-WE, los materiales de ánodo basados en iridio no deberían contener más de 0,05 mgIr/cm2. El mejor catalizador disponible actualmente en el mercado, fabricado con óxido de iridio, contiene unas 40 veces este valor objetivo.
El catalizador P2X necesita menos iridio
Pero ya hay nuevas opciones en proyecto: En el marco del proyecto Kopernikus P2X, el Grupo Heraeus ha desarrollado un nuevo nanocatalizador eficiente a base de iridio, consistente en una fina capa de óxido de iridio depositada sobre un soporte nanoestructurado de dióxido de titanio. El denominado "catalizador P2X" sólo requiere una cantidad extremadamente pequeña de iridio, lo que reduce sustancialmente la carga de metal precioso (cuatro veces menor que en el mejor material comercial actual).
Un equipo de HZB dirigido por el Dr. Raúl García-Diez y el Prof. Dr.-Ing. Marcus Bär, junto con colegas del sincrotrón ALBA de Barcelona, ha estudiado el catalizador P2X, que muestra una notable estabilidad incluso en funcionamiento a largo plazo, y ha comparado su firma catalítica y espectroscópica con el catalizador cristalino comercial de referencia.
Medidas operando en BESSY II
El equipo de HZB ha investigado a fondo el catalizador comercial de referencia y el catalizador P2X en BESSY II durante la electrólisis del agua( medicionesoperando ). "Queríamos observar cómo los dos materiales catalizadores diferentes cambian estructural y electrónicamente durante la reacción electroquímica de evolución del oxígeno utilizando espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) operando Ir L3-edge", explica Marianne van der Merwe, investigadora del equipo de Bär. También desarrollaron un nuevo protocolo experimental para garantizar que los resultados se midieran en ambas muestras exactamente con la misma tasa de producción de oxígeno. Esto permitió comparar los dos catalizadores en condiciones equivalentes.
Exploración de distintos entornos químicos
"A partir de los datos de las mediciones, pudimos concluir que los mecanismos de OER en las dos clases de catalizadores de óxido de iridio son diferentes, y esto se debe a los distintos entornos químicos de los dos materiales", afirma van der Merwe. Los datos de las mediciones también muestran por qué el catalizador P2X funciona incluso mejor en comparación con su referencia más cristalina: en la muestra P2X, las longitudes de enlace entre el iridio y el oxígeno disminuyen significativamente más que en el catalizador de referencia a potenciales relevantes para la OER. Esta reducción de las longitudes de enlace Ir-O puede asociarse a la participación de entornos defectuosos que se proponen como actores clave en vías altamente activas de la reacción de evolución del oxígeno.
"Además, las observaciones del estado electrónico también se correlacionan con la información geométrica local", señala van der Merwe. "Nuestro trabajo proporciona valiosa información clave sobre los diferentes mecanismos de los electrocatalizadores basados en óxido de iridio durante la reacción de evolución del oxígeno y profundiza nuestra comprensión del rendimiento y la estabilidad del catalizador, mientras que nuestro enfoque de protocolo electroquímico espectroscópico in situ recientemente propuesto es generalmente aplicable a todos los materiales de ánodo estudiados en condiciones OER relevantes".
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, Romualdus Enggar Wibowo, Catalina E. Jimenez, Carlos Escudero, Giovanni Agostini, Marcus Bär, Raul Garcia-Diez; "Electronic and Structural Property Comparison of Iridium-Based OER Nanocatalysts Enabled by Operando Ir L3-Edge X-ray Absorption Spectroscopy"; ACS Catalysis, Volume 14, 2024-10-30
Maximilian Bernt, Alexandra Hartig‐Weiß, Mohammad Fathi Tovini, Hany A. El‐Sayed, Carina Schramm, Jonas Schröter, Christian Gebauer, Hubert A. Gasteiger; "Current Challenges in Catalyst Development for PEM Water Electrolyzers"; Chemie Ingenieur Technik, Volume 92, 2019-11-20
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