La energía limpia del hidrógeno es una buena alternativa a los combustibles fósiles y es fundamental para lograr la neutralidad del carbono. Investigadores de todo el mundo buscan formas de aumentar la eficiencia y reducir el coste de la producción de hidrógeno, sobre todo mejorando los catalizadores implicados.
Recientemente, un equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado un nuevo electrocatalizador ultraestable para la reacción de evolución del hidrógeno (HER), que se basa en nanoplanchas de gel mineral bidimensional y no contiene metales preciosos.
El catalizador puede producirse a gran escala y puede ayudar a conseguir un precio más bajo del hidrógeno en el futuro.
La reacción electroquímica de evolución del hidrógeno (HER) es un método de generación de hidrógeno muy utilizado. Pero los electrocatalizadores comerciales de la HER están hechos de metales preciosos, que son caros. Por otro lado, los catalizadores de un solo átomo tienen un potencial prometedor en las aplicaciones catalíticas de HER debido a su alta actividad, su eficiencia atómica maximizada y su uso mínimo de catalizador.
Pero el proceso de fabricación convencional de los catalizadores monoatómicos es complicado. Por lo general, consiste en introducir el metal monoatómico deseado en el precursor del sustrato, seguido de un tratamiento térmico, normalmente superior a 700 ℃, que requiere mucha energía y tiempo.
En este sentido, un equipo de investigación codirigido por científicos de materiales de la CityU ha desarrollado una forma innovadora, rentable y energéticamente eficiente de producir un electrocatalizador monoatómico HER de gran eficacia que utiliza como precursor nanoplanchas de hidrogel mineral sin metales preciosos.
«En comparación con otros precursores comunes de sustratos monoatómicos, como las estructuras porosas y el carbono, hemos descubierto que los hidrogeles minerales presentan grandes ventajas para la producción masiva de electrocatalizadores debido a la fácil disponibilidad de las materias primas, a un procedimiento sintético sencillo y respetuoso con el medio ambiente y a unas condiciones de reacción suaves», afirmó el profesor Lu Jian, catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) y del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de la CityU, que dirigió la investigación.
El precursor de su electrocatalizador se prepara mediante un método sencillo. En primer lugar, se mezclan soluciones de ácido polioxometalato (PMo) e iones férricos (Fe3+) a temperatura ambiente, lo que da lugar a novedosas nanoplanchas bidimensionales de ácido fosfomolibdico. Tras eliminar el exceso de agua por centrifugación, las nanohojas se convierten en hidrogeles minerales libres de cualquier molécula orgánica. El proceso es mucho más cómodo y económico que los descritos anteriormente, que suelen requerir altas temperaturas y presiones, y más tiempo para el autoensamblaje de los precursores de un solo átomo de sustrato.
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Tras un nuevo tratamiento de fosfatación (a 500 ℃) de este precursor de gel mineral, se forma un catalizador de nanoplanchas heterogéneas de un solo átomo de hierro («Fe/SAs@Mo-based-HNSs«), lo que evita el largo proceso de fabricación de cargar átomos individuales en el sustrato.
Los experimentos descubrieron que el nuevo catalizador presenta una excelente actividad electrocatalítica y durabilidad a largo plazo en el HER, manifestando un sobrepotencial de sólo 38,5 mV a 10 mA cm-2, y una ultra estabilidad sin deterioro del rendimiento durante 600 horas a una densidad de corriente de hasta 200 mA cm-2.
«Se trata de uno de los mejores rendimientos conseguidos por electrocatalizadores HER no metálicos», afirmó el profesor Lu. «La idea única de utilizar gel mineral para sintetizar catalizadores heterogéneos dispersos monatómicos proporciona una importante base teórica y una dirección para el siguiente paso de producción escalable de catalizadores baratos y eficientes, que pueden contribuir a reducir el coste de la producción de hidrógeno a largo plazo.»
Sus hallazgos se publicaron en la revista Nature Communications con el título «Two-dimensional mineral hydrogel-derived single atoms-anchored heterostructures for ultrastable hydrogen evolution».
Para hacer frente al problema del elevado coste de los electrocatalizadores comerciales basados en el platino, el equipo dirigido por el profesor Lu ha realizado otro avance recientemente. Han aportado una solución mediante el diseño racional de aleaciones nanoestructuradas para desarrollar un electrocatalizador de bajo coste y alto rendimiento.
El equipo del profesor Lu ha investigado a fondo las nanoestructuras de aleación que tienen fases cristalinas y amorfas simultáneamente. Descubrieron que la inhomogeneidad química local, el orden de corto alcance y la grave distorsión de la red en la fase nanocristalina son deseables para su aplicación en la catálisis, mientras que la fase amorfa puede ofrecer abundantes sitios activos con menor barrera energética para la reacción de evolución del hidrógeno. Por ello, dedicaron sus esfuerzos de investigación a diseñar y construir aleaciones de fase dual para que fueran excelentes electrocatalizadores para la producción de hidrógeno.
Propusieron una nueva estrategia de diseño de aleaciones y nanoestructuras basada en la termodinámica. En primer lugar, predijeron el rango de composición de la formación de la fase dual «cristalina-amorfa» según la capacidad de formación amorfa (GFA). A continuación, utilizando el método sencillo del co-sputtering por magnetrón, prepararon con éxito el catalizador de aleación con base de aluminio con una nanoestructura de fase dual «cristalina-amorfa».
Gracias a esta nanoestructura, el nuevo catalizador mostró un mejor rendimiento electrocatalítico en solución alcalina que el electrocatalizador comercial basado en platino, con un sobrepotencial de sólo 28,8 mV a 10 mA cm-2.
«En este nuevo catalizador de aleación de aluminio utilizamos rutenio, que es más barato que el platino, como componente de metal noble. Así puede ser menos costoso que los electrocatalizadores comerciales a base de platino», afirma el profesor Lu. «Además de la evolución del hidrógeno, el mecanismo de electrocatálisis en nanofase dual puede aplicarse a otros sistemas catalíticos. El diseño de la nanoestructura de ‘cristal de vidrio’ ofrece un nuevo enfoque para desarrollar catalizadores de nueva generación».
Los resultados se publicaron en Science Advances, con el título «A crystal glass-nanostructured Al-based electrocatalyst for hydrogen evolution reaction».
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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