En el futuro, el hidrógeno será necesario en sistemas energéticos climáticamente neutros 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 uso de energía solar o eólica mediante electrólisis del agua. En ese campo, la electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones (PEM-WE) se considera actualmente una tecnología clave. Ambos electrodos están recubiertos con un electrocatalizador especial para acelerar la reacción deseada. Los catalizadores a base de iridio son más adecuados para ánodos, donde se producen reacciones de desprendimiento de oxígeno. Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más raros del planeta y un gran desafío 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, el material del ánodo a base de iridio no debería contener más de 0,05 mg.Y/cm2. Los mejores catalizadores disponibles actualmente en el mercado, elaborados a partir de óxido de iridio, contienen aproximadamente 40 veces este valor objetivo.
Los catalizadores P2X requieren 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 cantidades extremadamente pequeñas de iridio, lo que reduce significativamente la carga de metales preciosos (cuatro veces menos que el mejor material comercial actual).
Un equipo de HZB dirigido por el Dr. Raúl García-Diez y el Prof. Dr.-Ying. Marcus Barr, con colegas del sincrotrón ALBA de Barcelona, estudió el catalizador P2X, que muestra una estabilidad notable incluso en funcionamiento a largo plazo, y comparó sus firmas catalíticas y espectrales con catalizadores cristalinos comerciales de referencia.
Mediciones de operandos en BESSY II
El equipo de HZB investigó a fondo el catalizador de referencia comercial, así como el catalizador P2X en BESSY II durante la electrólisis del agua (operante medición). “Queríamos observar cómo los dos materiales catalizadores diferentes cambian estructural y electrónicamente durante la reacción electroquímica de evolución de oxígeno. operante Ir a3“Espectroscopia de absorción de rayos X de borde X (XAS)”, dijo Marian van der Merwe, investigadora del equipo de Barr. También desarrollaron un nuevo protocolo experimental para garantizar que los resultados se midieran con la misma tasa de producción de oxígeno en ambas muestras. Los catalizadores en condiciones equivalentes hicieron posible la comparación.
Explora diferentes entornos químicos
“A partir de los datos de medición, pudimos concluir que el mecanismo de REA en las dos clases de catalizadores de óxido de iridio es diferente y que está impulsado por los diferentes entornos químicos de los dos materiales”, dijo van der Merwe. Los datos de medición también muestran por qué el catalizador P2X funciona mejor que su punto de referencia más cristalino: en la muestra P2X, la longitud del enlace entre iridio y oxígeno disminuye significativamente más que el catalizador de referencia en el potencial relevante de REA. Esta disminución en la longitud del enlace Ir-O puede estar asociada con la participación del entorno del defecto, que se propone ser un actor clave en la vía altamente activa 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 diversos mecanismos de los electrocatalizadores basados en óxido de iridio durante las reacciones de evolución de oxígeno y profundiza nuestra comprensión del rendimiento y la estabilidad del catalizador, mientras que nuestro enfoque de protocolo electroquímico espectroscópico in situ recientemente propuesto es generalmente aplicable a todos los materiales de ánodo. Relevante Condiciones de REA bajo.”