El hidrógeno verde es un portador de energía con futuro. Se obtiene mediante la división electrolítica del agua con energía del viento o del sol y almacena esta energía en forma química. Para facilitar la división de las moléculas de agua (y reducir el aporte de energía), los electrodos están recubiertos con materiales catalíticamente activos. Dr. Marcel Risch y su Grupo de Jóvenes Investigadores Ingeniería de mecanismos de evolución de oxígeno están investigando la evolución del oxígeno en la electrocatálisis del agua. Esto se debe a que la evolución de oxígeno en particular debe ser más eficiente para la producción económica de hidrógeno.
Para producir hidrógeno verde, el agua se puede dividir mediante electrocatálisis, alimentada por fuentes renovables como el sol o el viento. Un artículo de revisión en la revista Angewandte Chemie Int. ed. muestra cómo las fuentes de rayos X modernas como BESSY II pueden avanzar en el desarrollo de electrocatalizadores adecuados. En particular, la espectroscopia de absorción de rayos X se puede utilizar para determinar los estados activos de materiales catalíticamente activos para la reacción de evolución de oxígeno. Esta es una contribución importante para desarrollar catalizadores eficientes a partir de elementos económicos y ampliamente disponibles.
Emocionante clase de materiales.
Una clase emocionante de materiales para electrocatalizadores son los óxidos de manganeso, que se presentan en muchas variantes estructurales diferentes. «Un criterio decisivo para la idoneidad como electrocatalizador es el número de oxidación del material y cómo cambia en el curso de la reacción», explica Risch. En el caso de los óxidos de manganeso, también existe una gran diversidad de posibles estados de oxidación. La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) proporciona información sobre los estados de oxidación: los cuantos de rayos X con energía adecuada excitan los electrones en las capas más internas, que absorben estos cuantos. Dependiendo del número de oxidación, esta absorción se puede observar a diferentes energías de excitación. El equipo de Risch ha construido una celda de electrólisis que permite realizar mediciones XAS durante la electrólisis.
espectroscopia de absorción de rayos X
«Con la espectroscopia de absorción de rayos X, no solo podemos determinar los números de oxidación, sino también observar procesos de corrosión o cambios de fase en el material», dice Risch. En combinación con las mediciones electroquímicas, los datos de medición proporcionan una mejor comprensión del material durante la electrocatálisis. Sin embargo, la alta intensidad requerida de los rayos X solo está disponible en las fuentes de luz de sincrotrón modernas. En Berlín, HZB opera BESSY II para este propósito. Hay alrededor de 50 fuentes de luz de este tipo para la investigación en todo el mundo.
Escalas de tiempo de corto a largo
Risch todavía ve un gran potencial para la aplicación de la espectroscopia de absorción de rayos X, especialmente con respecto a las escalas de tiempo de observación. Esto se debe a que los tiempos de medición típicos son de unos pocos minutos por medición. Las reacciones electrocatalíticas, sin embargo, tienen lugar en escalas de tiempo más cortas. «Si pudiéramos observar la electrocatálisis mientras sucede, podríamos comprender mejor los detalles importantes», dice Risch. Con este conocimiento, se podrían desarrollar más rápidamente catalizadores baratos y respetuosos con el medio ambiente. Por otro lado, muchos procesos de «envejecimiento» tienen lugar en semanas o meses. «Podríamos, por ejemplo, examinar la misma muestra una y otra vez a intervalos regulares para comprender estos procesos», aconseja Risch. Esto también permitiría desarrollar electrocatalizadores con estabilidad a largo plazo.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
