Los catalizadores autooptimizados facilitan la separación de agua para la producción ecológica de hidrógeno
El rendimiento del catalizador aumenta sorprendentemente con el tiempo
El hidrógeno es una opción muy debatida en términos de producción de energía neutra en CO₂. Las unidades electrolizadoras que dividen el agua en sus componentes oxígeno e hidrógeno almacenable se alimentan con electricidad procedente de recursos renovables, generada principalmente por energía eólica y solar. Sin embargo, se necesitan catalizadores para facilitar este proceso. Hasta la fecha, se utilizan como catalizadores de referencia óxidos de metales nobles, como el dióxido de rutenio y el dióxido de iridio. Sin embargo, estos metales son caros, raros e inestables tanto en ambientes ácidos como alcalinos.
La Dra. Dandan Gao, jefa de grupo junior de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y titular de una beca Walter Benjamin patrocinada por la Fundación Alemana de Investigación, y su equipo han logrado idear una forma alternativa de catalizador utilizando cobalto y wolframio, elementos fácilmente disponibles a bajo coste. "Lo singular de nuestro catalizador es que, de hecho, mejora su rendimiento con el tiempo, mientras que los catalizadores convencionales mantienen su rendimiento a un ritmo constante o incluso pierden parte de su rendimiento porque no son suficientemente duraderos", declaró la Dra. Dandan Gao. "Tras el proceso de optimización, la actividad es incluso superior a la de los catalizadores de referencia". Los resultados de Gao y su equipo se han publicado recientemente en la edición internacional de la revista "Angewandte Chemie".
¿Qué causa el proceso de autooptimización?
Los investigadores llevaron a cabo investigaciones experimentales y teóricas para encontrar una explicación a la extraordinaria autooptimización de su catalizador. Pudieron determinar que la naturaleza química del óxido de cobalto-tungsteno catalizador cambia durante el proceso de división del agua. Mientras que el cobalto está inicialmente presente en gran medida en forma de Co²⁺, se convierte cada vez más en Co³⁺. Al mismo tiempo, la proporción entre el ion W⁵⁺ de tungsteno original y el ion W⁶⁺ se desplaza a favor de este último. "Hay dos reacciones durante la división del agua. La reacción de evolución del hidrógeno (HER), que produce hidrógeno gaseoso, y la reacción de evolución del oxígeno (OER), que produce oxígeno gaseoso. La OER representa el cuello de botella de toda la reacción", explica Gao. "Por eso estamos tan empeñados en desarrollar un catalizador que pueda promover la semirreacción OER".
Mientras que la OER es inducida inicialmente por el sitio activo del tungsteno, este proceso se transfiere con el tiempo al sitio activo del cobalto. Además, la superficie electroquímicamente activa del catalizador también aumenta con el paso del tiempo. El equipo de investigación también observó alteraciones en la hidrofilia de la superficie. Su afinidad por el agua aumenta progresivamente, lo que resulta especialmente beneficioso en el contexto de la separación electroquímica del agua. "En general, registramos una notable reducción de los sobrepotenciales y un aumento de las densidades de corriente, acompañados de un incremento sustancial de la cinética OER", concluyó Gao. Todo esto son noticias positivas para la producción de hidrógeno del futuro".
Financiado por el Programa Walter Benjamin de la Fundación Alemana de Investigación
Dandan Gao ha sido patrocinado a través del Programa Walter Benjamin de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) desde junio de 2023. Este programa permite a investigadores noveles llevar a cabo su propio proyecto de investigación en una institución de su elección. La institución de investigación anfitriona -la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia en este caso- proporciona apoyo para el proyecto en cuestión.
El trabajo descrito en Angewandte Chemie también recibió el apoyo de la Fundación Carl Zeiss, la Fundación Alexander von Humboldt y el área de investigación de alto nivel SusInnoScience de la JGU: la química sostenible como clave para la innovación en la ciencia eficiente en el uso de los recursos en el Antropoceno.
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Publicación original
Christean Nickel, David Leander Troglauer, Zsolt Dallos, Dhouha Abid, Kevin Sowa, Magdalena Ola Cichocka, Ute Kolb, Boris Mashtakov, Bahareh Feizi Mohazzab, Shikang Han, Leon Prädel, Lijie Ci, Deping Li, Xiaohang Lin, Minghao Hua, Rongji Liu, Dandan Gao; "Self‐optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-2-12
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