Electrocatálisis: Oxihidróxidos de hierro y cobalto examinados en BESSY II
Un equipo dirigido por el Dr. Prashanth W. Menezes (HZB/TU-Berlín) ha descubierto la química de uno de los catalizadores anódicos más activos para la producción ecológica de hidrógeno. Examinaron una serie de oxihidróxidos de cobalto-hierro en BESSY II y pudieron determinar los estados de oxidación de los elementos activos en distintas configuraciones, así como desvelar la estructura geométrica de los sitios activos. Sus resultados podrían contribuir al diseño basado en el conocimiento de nuevos materiales activos catalíticos de alta eficacia y bajo coste.
Los borofosfatos LiFex-1Cox se han utilizado como ánodos baratos para la producción de hidrógeno verde. Su reestructuración dinámica durante la OER, así como su estructura catalíticamente activa, se han dilucidado mediante espectroscopia de absorción de rayos X.
P. Menezes / HZB /TU Berlin
Muy pronto tendremos que prescindir de los combustibles fósiles, no sólo en el sector energético, sino también en la industria. En principio, los hidrocarburos u otras materias primas químicas pueden producirse utilizando energías renovables y moléculas abundantes como el agua y el dióxido de carbono con la ayuda de materiales electrocatalíticamente activos. Pero, por el momento, esos materiales catalizadores o bien consisten en materiales caros y raros o bien carecen de eficacia.
Reacción clave en la división del agua
Un equipo dirigido por el Dr. Prashanth W. Menezes (HZB/TU-Berlín) ha descubierto la química de uno de los catalizadores más activos para la reacción anódica de evolución del oxígeno (OER), que es una reacción clave para suministrar electrones a la reacción de evolución del hidrógeno (HER) en la división del agua. A continuación, el hidrógeno puede transformarse en otros compuestos químicos, por ejemplo, hidrocarburos. Además, en la reducción electrocatalítica directa del dióxido de carbono a alcoholes o hidrocarburos, la REO también desempeña un papel fundamental.
Electrocatalizadores para la reacción de evolución del oxígeno
Una clase muy prometedora de electrocatalizadores para la OER son los oxihidróxidos de cobalto-hierro. Los científicos estudiaron en BESSY II una serie de borofosfatos helicoidales LiFe1-xCox, que se reconstruyen en condiciones de OER en oxihidróxidos de Cobalto-Hierro activos, con diferentes técnicas de espectroscopia in situ para determinar los estados de oxidación de los elementos Cobalto (Co) y Hierro (Fe), así como su estructura activa.
Hierro: estados de oxidación más altos y distancias de enlace más cortas
"El Fe desempeña un papel importante en los catalizadores OER basados en Co. Sin embargo, la razón exacta de ello sigue siendo objeto de debate. La mayoría de los estudios suponen que el Fe en estados de oxidación más bajos (+3) forma parte de la estructura activa. En nuestro caso, sin embargo, pudimos mostrar Fe en estados de oxidación ≥ 4 y distancias de enlace acortadas que nos proporcionan una mejor comprensión de las especies catalíticamente activas ", señala Menezes.
Los electrocatalizadores facilitan la transferencia de carga del sustrato (en este caso el agua) a los electrodos, lo que implica sobre todo un cambio de los estados de oxidación de los metales de transición. Sin embargo, estos cambios de estado de oxidación son a veces demasiado rápidos para ser detectados, lo que dificulta la comprensión del principio de funcionamiento del catalizador, especialmente cuando contiene dos elementos potencialmente activos.
Este trabajo hace hincapié en la estructura geométrica de los sitios activos y en el comportamiento redox de los dos elementos participantes (Co y Fe en el presente caso). Tal comprensión ayuda a permitir el desarrollo guiado por el diseño de catalizadores a nivel molecular. "Esperamos que la descripción electrónica y estructural detallada pueda contribuir sustancialmente a la mejora de los catalizadores OER", afirma Menezes.
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