Las nanagujas formadas en un electrocatalizador mejoran la producción de hidrógeno
02.08.2023
La producción eficiente y barata de hidrógeno es un paso importante hacia el desarrollo de fuentes de energía limpias y alternativas. La separación electroquímica del agua, que la divide en sus elementos de hidrógeno y oxígeno mediante un electrocatalizador, es una opción viable para producir hidrógeno. Hasta ahora, los catalizadores se basaban en elementos costosos como el platino, lo que dificultaba la aplicación de esta tecnología a escala comercial.
Este diagrama muestra la estructura nanométrica del electrocatalizador de fosfuro de níquel-cobalto dopado con molibdeno. El gráfico muestra la curva de polarización, que demuestra la mejora del electrocatalizador cuando se le añade molibdeno. El gráfico de la parte inferior también ilustra el proceso hidrotérmico de calentamiento por gradiente para producir el electrocatalizador.
Nano Research, Tsinghua University Press
En un trabajo publicado recientemente, los investigadores demostraron cómo la adición de molibdeno a un catalizador de fosfuro de níquel-cobalto y su síntesis mediante un proceso hidrotérmico de gradiente, en el que el catalizador se calienta a 100 grados, 150 grados y luego 180 grados centígrados a lo largo de 10 horas, creó una microestructura única que mejoró el rendimiento del catalizador, dando lugar a una producción de hidrógeno que podría ser más aplicable a la producción de hidrógeno a gran escala.
“La innovadora combinación de procesos hidrotérmicos de gradiente y de fosfuración forma una estructura de microesferas”, explica Yufeng Zhao, profesor de la Facultad de Ciencias e Instituto de Energía Sostenible de la Universidad de Shanghai (China). “Estas nanopartículas con un diámetro aproximado de 5 a 10 nanómetros forman nanoagujas, que posteriormente se autoensamblan en una estructura esférica. Las nanagujas ofrecen abundantes sitios activos para una transferencia eficiente de electrones y la presencia de partículas de pequeño tamaño y rugosidad a microescala potencia la liberación de burbujas de hidrógeno.”
Para crear esta microestructura única, los investigadores emplearon una técnica denominada dopaje de elementos. El dopaje de elementos es la adición intencionada de impurezas a un catalizador para mejorar su actividad. En este estudio, se añadió molibdeno (Mo) al fosfuro (P) bimetálico de níquel-cobalto (Ni-Co). Los fosfuros de Ni-Co ya tienen un rendimiento electrocatalítico excepcional debido a la forma en que interactúan los iones de cobalto y níquel. Después de añadir el molibdeno y mediante un proceso hidrotérmico de gradiente, el Ni-CoP dopado con Mo se depositó sobre una espuma de níquel. Tras este proceso, se formó sobre el fosfuro la microestructura única de las nanagujas.
“El dopaje con trazas de molibdeno optimiza la estructura electrónica y aumenta el número de sitios electroactivos”, explica Zhao. El catalizador Ni-CoP dopado con Mo se sometió a pruebas de fiabilidad, estabilidad y rendimiento. Su densidad permaneció casi constante tras 100 horas y su estructura se mantuvo bien, gracias en parte a la estructura única de las nanopartículas, que impiden que el catalizador se colapse al acumularse el hidrógeno. Los cálculos también demostraron que el catalizador de fosfuro era excepcionalmente eficaz.
De cara al futuro, los investigadores esperan comprobar el rendimiento de la reacción en distintas soluciones, como las ácidas y las neutras. En futuros estudios también se buscarán alternativas a la espuma de níquel, como la malla de titanio, que puedan funcionar en todo el intervalo de pH. “En futuros trabajos, recomendamos explorar la aplicación del catalizador en la producción de hidrógeno asistida por oxidación de moléculas pequeñas, como la urea. Este enfoque reduciría el sobrepotencial de la electrólisis del agua y mitigaría la contaminación ambiental causada por las aguas residuales de urea”, dijo Zhao.
Fuente:Las nanagujas formadas en un electrocatalizador mejoran la producción de hidrógeno (quimica.es)
