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 electricidad generada a partir del aprovechamiento de la energía solar o eólica mediante la electrólisis del agua. En ese sentido, la electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones (PEM-WE) se considera actualmente una tecnología clave. Ambos electrodos están recubiertos 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 desprendimiento de oxígeno. Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más raros del planeta y uno de los principales desafíos es reducir significativamente la demanda de este metal precioso. Un análisis aproximado mostró que para satisfacer la demanda mundial de hidrógeno para el transporte utilizando la tecnología PEM-WE, los materiales de ánodo a base de iridio no deberían contener más de 0,05 mg.ir/centímetro2. El mejor catalizador actualmente disponible en el mercado, elaborado a partir de óxido de iridio, contiene aproximadamente 40 veces más que este valor objetivo.
El catalizador P2X necesita menos iridio
Pero ya hay nuevas opciones en proceso: en el marco del proyecto Kopernikus P2X, el grupo Heraeus desarrolló un nuevo nanocatalizador eficiente a base de iridio, que consiste en una fina capa de óxido de iridio depositada sobre un soporte nanoestructurado de dióxido de titanio. El llamado ‘catalizador P2X’ requiere sólo una cantidad extremadamente pequeña de iridio, lo que reduce sustancialmente la carga de metales preciosos (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 estabilidad notable incluso en funcionamiento a largo plazo, y ha comparado su firma catalítica y espectroscópica con el catalizador cristalino comercial de referencia.
Operando mediciones en BESSY II
El equipo de HZB ha investigado a fondo el catalizador de referencia comercial, así como el catalizador P2X en BESSY II durante la electrólisis del agua (operando medidas). «Queríamos observar cómo los dos materiales catalizadores diferentes cambian estructural y electrónicamente durante la reacción electroquímica de evolución de oxígeno utilizando operando ir l3«espectroscopia de absorción de rayos X de borde XAS», dice Marianne van der Merwe, investigadora del equipo de Bär. También desarrollaron un nuevo protocolo experimental para garantizar que los resultados se midan en ambas muestras exactamente con la misma tasa de producción de oxígeno. hizo posible comparar los dos catalizadores en condiciones equivalentes.
Se exploraron diferentes entornos químicos.
«A partir de los datos de medición, pudimos concluir que los mecanismos de REA en las dos clases de catalizadores de óxido de iridio son diferentes, y esto se debe a los diferentes entornos químicos de los dos materiales», dice van der Merwe. Los datos de medición también muestran por qué el catalizador P2X funciona aún mejor en comparación con su punto de referencia más cristalino: en la muestra P2X, las longitudes de enlace entre iridio y oxígeno disminuyen significativamente más que en el catalizador de referencia en potenciales relevantes de REA. Esta reducción en la longitud de los enlaces Ir-O puede asociarse con la participación de entornos defectuosos que se proponen como actores clave en vías altamente activas de la reacción de evolución de oxígeno.
«Además, las observaciones electrónicas del estado también se correlacionan con la información geométrica local», señala van der Merwe. «Nuestro trabajo proporciona información clave valiosa sobre los diferentes mecanismos de los electrocatalizadores basados en óxido de iridio durante la reacción de evolución de oxígeno y profundiza nuestra comprensión del rendimiento y la estabilidad del catalizador, mientras que nuestro protocolo electroquímico espectroscópico in situ recientemente propuesto es generalmente aplicable a todos los materiales anódicos estudiados. bajo condiciones relevantes de REA.»
