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Un nuevo catalizador revela el poder oculto del agua

Un nuevo catalizador revela el poder oculto del agua

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Foto de familia del ICFO: De izquierda a derecha: F. Pelayo García D’Arquer, Marinos Demetropoulos, Lu Xia, Aparna M. Das, Victoria Holovanova, Anku Guha y Ranit Ram.

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Crédito: ©ICFO

El hidrógeno es un portador químico y energético prometedor para descarbonizar nuestra sociedad. A diferencia de los combustibles convencionales, el uso de hidrógeno como combustible no genera dióxido de carbono a cambio. Lamentablemente, hoy en día, la mayor parte del hidrógeno producido en nuestra sociedad proviene del metano, un combustible fósil. Lo hace a través de un proceso (reformado de metano) que resulta en importantes emisiones de dióxido de carbono. Por tanto, la producción de hidrógeno verde requiere alternativas escalables a este proceso.

La electrólisis del agua proporciona un camino para generar hidrógeno verde que puede funcionar con fuentes de energía renovables y electricidad limpia. Este proceso necesita catalizadores catódicos y anódicos para acelerar las reacciones ineficientes para dividir y recombinar el agua en hidrógeno y oxígeno, respectivamente. Desde su descubrimiento a finales del siglo XVIIIy Durante el siglo XIX, la electrólisis del agua ha evolucionado hasta convertirse en diferentes técnicas. Una aplicación prometedora de la electrólisis del agua es la membrana de intercambio de protones (PEM), que puede producir hidrógeno verde que combina altas tasas con una alta eficiencia energética.

Hasta ahora, la electrólisis del agua, especialmente la PEM, ha requerido catalizadores basados ​​en elementos raros y raros, como el platino y el iridio, entre otros. Sólo unos pocos compuestos combinan la actividad deseada con la estabilidad en el duro entorno químico impuesto por esta reacción. Esto presenta un desafío particular en el caso de los catalizadores anódicos, que deben operar en ambientes ácidos y altamente corrosivos, condiciones en las que solo los óxidos de iridio han demostrado un funcionamiento estable en las exigentes condiciones industriales. Pero el iridio es uno de los elementos más raros de la Tierra.

En busca de posibles soluciones, un equipo de científicos dio recientemente un paso importante para encontrar alternativas a los catalizadores de iridio. Este equipo multidisciplinario ha desarrollado un Un nuevo método para impartir actividad y estabilidad a un catalizador sin iridio aprovechando las propiedades del agua hasta ahora inexploradas. El nuevo catalizador consigue, por primera vez, estabilidad en la electrólisis del agua PEM en condiciones industriales sin el uso de iridio.

Este logro fue publicado en Cienciasfue implementado por investigadores del ICFO Ranita Ram, Dr. Lu Xia, Dr. Anko Guha, Dra. Victoria Golovanova, Dr. Marinos Dimitropoulos, Aparna M Das Y Adrián Pinilla Sánchezy liderado por Profesor del ICFO Dr. F. Pelayo García de Arquer; Se trata de importantes colaboraciones del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ) y del Instituto Catalán de Ciencia y Tecnología (ICN).2), el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), la Fuente de Luz de Diamante y el Instituto de Materiales Avanzados (INAM).

Lidiar con la acidez

Es difícil combinar actividad con estabilidad en un ambiente altamente ácido. Los metales generados por el catalizador tienden a disolverse, ya que la mayoría de los materiales no son termodinámicamente estables a pH y potencial de aplicación bajos, en un ambiente acuoso. Los óxidos de iridio combinan actividad con estabilidad en estas condiciones extremas, por lo que son la elección dominante de ánodos en la electrólisis del agua por intercambio de protones.

La búsqueda de alternativas al iridio representa no sólo un desafío aplicado importante, sino fundamental. Una extensa investigación sobre catalizadores sin iridio ha dado lugar a nuevos conocimientos sobre los mecanismos de reacción y descomposición, especialmente con el uso de sondas que pueden estudiar catalizadores en funcionamiento combinados con modelos computacionales. Esto ha llevado a resultados prometedores utilizando materiales a base de manganeso y óxido de cobalto, explotando diferentes estructuras, composiciones y dopantes, para modificar las propiedades físicas y químicas de los catalizadores.

Aunque esclarecedores, la mayoría de estos estudios se han realizado en… Básico Reactores no escalables que funcionan en mas suave Condiciones que distan mucho de la aplicación final, especialmente en términos de densidad de corriente. Hasta ahora, la demostración de la actividad y estabilidad utilizando catalizadores sin iridio en reactores PEM y en condiciones operativas relevantes para PEM (alta densidad de corriente) ha sido difícil de alcanzar.

Para superar esto, ICFO, ICIQ, ICN2Investigadores del CNRS, Diamond Light Source y el INAM han ideado un nuevo enfoque para diseñar catalizadores sin iridio, logrando actividad y estabilidad en medios ácidos. Su estrategia, basada en el cobalto (muy abundante y barato), era muy diferente a los métodos populares.

“El diseño tradicional de catalizadores generalmente se enfoca en cambiar la composición o estructura de los materiales utilizados. Aquí adoptamos un enfoque diferente. Diseñamos un nuevo material que incorpora efectivamente los componentes de la reacción (agua y sus fragmentos) en su estructura. Se pueden diseñar agua y fragmentos de agua en la estructura del catalizador para proteger el catalizador en estas condiciones difíciles, permitiendo así un funcionamiento estable a altas densidades de corriente relevantes para aplicaciones industriales”, explica el profesor del ICFO García de Arquer con su tecnología, que consiste en un. Mediante un proceso de laminación que reemplaza parte del material con agua, el catalizador resultante representa una alternativa viable para su aplicación a catalizadores basados ​​en iridio.

Un nuevo enfoque: el proceso de laminación

Para obtener el catalizador, el equipo buscó un óxido de cobalto específico: el óxido de cobalto-tungsteno (CoWO).4), o CWO para abreviar. Sobre esta materia prima, diseñaron un proceso de laminación utilizando soluciones básicas de agua donde se utilizan óxidos de tungsteno (WO).42-) será retirado de la red y sustituido por agua (H2O) e hidroxilo (OH) grupos en un entorno básico. Este proceso se puede ajustar para incorporar diferentes cantidades de H2Ah y oh en el catalizador, que luego se incorporará a los electrodos del ánodo.

El equipo combinó diferentes dispositivos de espectroscopia basados ​​en fotones para comprender esta nueva clase de materiales en acción. Utilizando rayos infrarrojos Raman y rayos X, entre otros, pudieron evaluar la presencia Atrapado Agua y grupos hidroxilo, y obtener información sobre su papel a la hora de conferir actividad y estabilidad a la división agua-ácido. “Poder detectar agua atrapada fue un verdadero desafío para nosotros”, continúa el coautor principal, el Dr. Anku Guha. “Usando espectroscopía Raman y otras técnicas basadas en luz, finalmente vimos que había agua en la muestra. Pero no era agua ‘libre’, sino agua atrapada, algo que tuvo un profundo impacto en el rendimiento.

A partir de estas ideas, comenzaron a trabajar en estrecha colaboración con expertos colaboradores en modelado de catalizadores. “El modelado de materiales dopados es un desafío porque en este caso se producen grandes reordenamientos estructurales, la delaminación utilizada en el proceso de dopaje aumenta el número de sitios activos y cambia el mecanismo de reacción, lo que hace que el material sea más activo. Comprender estos materiales requiere un mapeo detallado entre observaciones experimentales. y simulaciones”, afirma la profesora Nuria López del ICIQ. Sus cálculos, dirigidos por el coautor principal, el Dr. Hend Al-Benzidi, fueron cruciales para comprender cómo los materiales laminares, protegidos por agua, no sólo estaban termodinámicamente protegidos contra la disolución en ambientes altamente ácidos, sino que también eran activos.

Pero, ¿cómo es esto posible? Básicamente, eliminar El óxido de tungsteno deja un agujero, exactamente donde estaba ubicado anteriormente. Aquí es donde ocurre la “magia”: Agua e hidróxidoque está presente en gran medida en el medio, espontáneamente Llena el vacío. Esto a su vez Protege la muestraporque hace que la disolución del cobalto sea un proceso desfavorable, agregando efectivamente los componentes del catalizador.

A continuación, recogieron el catalizador laminado en un reactor PEM. La actuación inicial fue realmente destacable, consiguiendo mayor actividad y estabilidad que cualquier arte anterior. “Aumentamos cinco veces la densidad de corriente, a 1 A/cm2 – Un profesor muy difícil en este campo. Pero la clave es que también alcanzamos más de 600 horas de estabilidad a esta alta intensidad. “Por lo tanto, alcanzamos la mayor densidad de corriente y también la mayor estabilidad para los catalizadores sin iridio”, comparte el coautor principal, el Dr. Lu Xia.

“Al comienzo del proyecto, estábamos interesados ​​en el papel potencial del agua como fuente de agua. el elefante en el cuarto “En la electrólisis del agua”, explica Ranit Ram, primer autor del estudio e impulsor de la idea inicial. “Nunca nadie había diseñado el agua y el agua superficial de esta manera”. Al final, esto resultó ser un verdadero punto de inflexión.

Aunque el tiempo de estabilización aún está lejos de los PEM industriales actuales, esto representa un gran paso para que no dependan del iridio o elementos similares. En particular, su trabajo proporciona nuevos conocimientos sobre el diseño de PEM para electrólisis de agua, destacando la posibilidad de abordar la ingeniería de catalizadores desde otra perspectiva; Explotando activamente las propiedades del agua.

Hacia la industrialización

El equipo vio tal potencial en la tecnología que ya solicitaron una patente, con el objetivo de llevarla a niveles de producción industrial. Sin embargo, se dan cuenta de que dar este paso no es trivial, como señala el profesor García de Arquer: “El cobalto, al ser más abundante que el iridio, sigue siendo un material que suscita gran preocupación dada su procedencia. Por eso estamos trabajando en buscar alternativas basadas en manganeso, níquel y muchos otros materiales. Repasaremos toda la tabla periódica, si es necesario. Exploraremos y experimentaremos con ellos en esta nueva estrategia para diseñar los estímulos que mencionamos en nuestro estudio.

A pesar de los nuevos desafíos que seguramente surgirán, el equipo está convencido del potencial de este proceso de laminación y todos están decididos a perseguir este objetivo. En particular, Ram comparte: “Siempre he querido desarrollar energías renovables porque nos ayudarán como sociedad humana a combatir el cambio climático. Creo que nuestros estudios han contribuido con un pequeño paso en la dirección correcta”.

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referencia: Atrapamiento de hidróxido de agua en tungstato de cobalto para electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones, Ranit Ram, Lu Xia, Hind Benzidi, Anko Guha, Victoria Golovanova, Alba Garzón, Manjun, David Laurence Raurit, Paul Sanz-Bermann, Marinos Dimitropoulos, Bernat Mundet, Ernst Pastor, Verónica Silorio, Camilo A. Mesa, Aparna M. Das, Adrián Pinilla Sanchez, Sixto Jiménez, Jordi Arbiol, Nuria López, F. Pelayo García de Arquer2024, Ciencias, https://doi.org/10.1126/science.adk9849


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