Hidrógeno verde: un material estructurado en forma de jaula se transforma en un catalizador eficaz
Descubierta una clase muy interesante de materiales para electrocatalizadores?
Los clatratos se caracterizan por una compleja estructura en forma de jaula que proporciona espacio también para los iones huéspedes. Ahora, por primera vez, un equipo ha investigado la idoneidad de los clatratos como catalizadores para la producción electrolítica de hidrógeno con resultados impresionantes: la muestra de clatratos era incluso más eficaz y robusta que los catalizadores a base de níquel utilizados actualmente. También encontraron la razón de este mayor rendimiento. Las mediciones realizadas en BESSY II demostraron que los clatratos experimentan cambios estructurales durante la reacción catalítica: la estructura tridimensional en jaula se descompone en nanoplanchas ultrafinas que permiten el máximo contacto con los centros catalíticos activos. El estudio se ha publicado en la revista "Angewandte Chemie".
El hidrógeno puede producirse por electrólisis del agua. Si la energía eléctrica necesaria para este proceso procede de fuentes renovables, este hidrógeno es incluso neutro en carbono. Este hidrógeno "verde" se considera un componente importante del sistema energético del futuro y también se necesita en grandes cantidades como materia prima para la industria química. Dos reacciones son cruciales en la electrólisis: la evolución del hidrógeno en el cátodo y la evolución del oxígeno en el ánodo (OER). Sin embargo, la reacción de evolución del oxígeno, en particular, ralentiza el proceso deseado. Para acelerar la producción de hidrógeno, es necesario desarrollar catalizadores más eficaces y robustos para el proceso OER.
Clatratos, una estructura formada por jaulas
Actualmente, los compuestos a base de níquel se consideran catalizadores buenos y baratos para la reacción alcalina de evolución del oxígeno. Aquí es donde entran en juego el Dr. Prashanth Menezes y su equipo. El contacto entre los centros activos de níquel y el electrolito desempeña un papel crucial en la eficacia de un catalizador", afirma el químico. En los compuestos de níquel convencionales, esta superficie es limitada. Por tanto, queríamos comprobar si las muestras que contienen níquel de la fascinante clase de materiales conocidos como clatratos podían utilizarse como catalizadores".
Los materiales están hechos de Ba8Ni6Ge40 y se produjeron en la Universidad Técnica de Múnich. Como todos los clatratos, se caracterizan por una compleja estructura cristalina de jaulas poliédricas, en este caso formadas por germanio y níquel, que encierran bario. Esta estructura confiere a los clatratos propiedades especiales que los hacen interesantes como termoeléctricos, superconductores o electrodos de baterías. Sin embargo, hasta ahora ningún grupo de investigación se había planteado investigar los clatratos como electrocatalizadores.
Experimentos en universidades y BESSY II
Las mediciones electroquímicas mostraron que el Ba₈Ni₆Ge₄₀ como catalizador superaba la eficiencia de los catalizadores basados en níquel a una densidad de corriente de 550 mA cm-², un valor que también se utiliza en la electrólisis industrial. La estabilidad también fue notablemente alta: incluso después de 10 días de funcionamiento continuo, la actividad no disminuyó significativamente.
El equipo utilizó una combinación de experimentos para averiguar por qué el material es tan extraordinariamente adecuado. En BESSY II estudiaron las muestras mediante espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) in situ, mientras que la caracterización estructural básica se llevó a cabo en las Universidades Libre y Técnica de Berlín.
De jaula a esponja
Sus análisis mostraron que las partículas de Ba8Ni6Ge40 en el electrolito acuoso sufren una transformación estructural bajo un campo eléctrico: los átomos de germanio y bario se disuelven del anterior armazón tridimensional. Los átomos de germanio y bario constituyen casi el 90% del material de partida del clatrato y se eliminan por completo, dejando nanocapas muy porosas y esponjosas del 10% de níquel restante, que ofrecen una superficie máxima", explica el Dr. Niklas Hausmann, del equipo de Menezes. Esta transformación hace que cada vez más centros de níquel catalíticamente activos entren en contacto con el electrolito.
Nos ha sorprendido lo bien que funcionan estas muestras como catalizadores OER. Esperamos obtener resultados similares con otros clatratos de metales de transición y haber descubierto una clase muy interesante de materiales para electrocatalizadores", afirma Menezes.
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Publicación original
Ziliang Chen, Hongyuan Yang, J. Niklas Hausmann, Stefan Mebs, Viktor Hlukhyy, Holger Dau, Matthias Driess, Prashanth W. Menezes; "Ba‐Ni‐Ge Clathrate Transformation Maximizes Active Site Utilization of Nickel for Enhanced Oxygen Evolution Performance"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-3-26
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