23.11.2021 - Institute for Basic Science

Dos es mejor que uno: Electrocatalizador de dímero monoatómico para la producción de hidrógeno verde

Un dímero metálico de níquel y cobalto sobre carbono dopado con nitrógeno puede catalizar la electrólisis tanto en condiciones ácidas como básicas

Las limitadas reservas de combustibles fósiles y las crecientes amenazas del cambio climático han animado a los investigadores a desarrollar tecnologías alternativas para producir combustibles ecológicos. El hidrógeno verde generado a partir de la electrólisis del agua con electricidad renovable se considera una fuente de energía renovable de próxima generación para el futuro. Pero en realidad, la inmensa mayoría del hidrógeno combustible se obtiene del refinado de combustibles fósiles debido al elevado coste de la electrólisis.

En la actualidad, la eficiencia de la electrólisis del agua es limitada y suele requerir un alto voltaje de la célula debido a la falta de electrocatalizadores eficientes para las reacciones de evolución del hidrógeno. Los metales nobles, como el platino (Pt), se utilizan como catalizadores para mejorar la generación de hidrógeno tanto en medios ácidos como alcalinos. Sin embargo, estos catalizadores de metales nobles son muy caros y muestran una escasa estabilidad en el funcionamiento a largo plazo.

Recientemente, los catalizadores de un solo átomo han mostrado una excelente actividad en comparación con sus homólogos basados en nanomateriales. Esto se debe a que son capaces de alcanzar hasta un 100% de utilización de átomos, mientras que en las nanopartículas sólo los átomos superficiales están disponibles para la reacción. Sin embargo, debido a la simplicidad del centro de un solo átomo de metal, llevar a cabo una modificación posterior de los catalizadores para realizar reacciones complejas de varios pasos es bastante difícil.

La forma más sencilla de modificar los átomos simples es convertirlos en dímeros de átomos simples, que combinan dos átomos simples diferentes. El ajuste del sitio activo de los catalizadores monoatómicos con dímeros puede mejorar la cinética de la reacción gracias al efecto sinérgico entre dos átomos diferentes. Sin embargo, aunque la síntesis y la identificación de la estructura de los dímeros monoatómicos se conocen conceptualmente, su realización práctica ha sido muy difícil.

Este problema fue abordado por un equipo de investigación dirigido por el director asociado LEE Hyoyoung del Centro de Física Integrada de Nanoestructuras del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), ubicado en la Universidad de Sungkyunkwan. El equipo de investigación del IBS desarrolló con éxito una estructura de dímero de Ni-Co atómicamente dispersa y estabilizada en un soporte de carbono dopado con nitrógeno, que se denominó NiCo-SAD-NC.

"Sintetizamos una estructura de dímero de Ni-Co de un solo átomo sobre un soporte de carbono dopado con nitrógeno (N) mediante el atrapamiento in situ de iones de Ni/Co en la esfera de polidopamina, seguido de una pirólisis con una coordinación de N controlada con precisión. Empleamos la más moderna microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopia de absorción de rayos X para identificar con éxito estos sitios NiCo-SAD con precisión atómica", afirma Ashwani Kumar, primer autor del estudio.

Los investigadores descubrieron que el recocido durante dos horas a 800°C en una atmósfera de argón era la mejor condición para obtener la estructura del dímero. Otros dímeros de un solo átomo, como el CoMn y el CoFe, también pudieron sintetizarse con el mismo método, lo que demuestra la generalidad de su estrategia.

El equipo de investigación evaluó la eficacia catalítica de este nuevo sistema en función del sobrepotencial necesario para impulsar la reacción de evolución del hidrógeno. El electrocatalizador NiCo-SAD-NC presentaba un nivel de sobretensión comparable al de los catalizadores comerciales basados en Pt en medios ácidos y alcalinos. El NiCo-SAD-NC también mostró una actividad 8 veces superior a la de los catalizadores monoatómicos de Ni/Co y a la de las nanopartículas heterogéneas de NiCo en medios alcalinos. Al mismo tiempo, alcanzó una actividad 17 y 11 veces mayor que los catalizadores de un solo átomo de Co y Ni, respectivamente, y 13 veces mayor que las nanopartículas convencionales de Ni/Co en medios ácidos.

Además, los investigadores demostraron la estabilidad a largo plazo del nuevo catalizador, que fue capaz de impulsar la reacción durante 50 horas sin ningún cambio de estructura. El NiCo-SAD mostró una disociación de agua superior y una adsorción de protones óptima en comparación con otros dímeros de un solo átomo y sitios de un solo átomo de Ni/Co, lo que potenció la actividad del catalizador de pH universal según la simulación de la teoría del funcional de la densidad.

"Nos entusiasmó descubrir que la novedosa estructura NiCo-SAD disocia las moléculas de agua con una barrera energética mucho más baja y acelera la reacción de evolución del hidrógeno tanto en medios alcalinos como ácidos con rendimientos comparables a los del Pt, lo que solucionó las deficiencias de los catalizadores individuales de Ni y Co de un solo átomo. La síntesis de esta estructura de dímero de un solo átomo era un reto de larga data en el campo de los catalizadores de un solo átomo", señala el Director Asociado Lee, autor correspondiente del estudio.

Además, explica que "este estudio nos acerca a una economía del hidrógeno verde y sin carbono. Este electrocatalizador de generación de hidrógeno, altamente eficiente y barato, nos ayudará a superar los retos a largo plazo de la producción de hidrógeno verde competitivo en costes: producir hidrógeno de alta pureza para aplicaciones comerciales a bajo precio y de forma ecológica."

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