Hidrógeno verde: los MXenos demuestran su talento como catalizadores para la evolución del oxígeno
Los catalizadores basados en MXenos son más estables y eficientes que los catalizadores convencionales: las investigaciones están revelando ahora las razones de ello
La clase de materiales MXeno tiene muchos talentos. Un equipo internacional dirigido por Michelle Browne, química de la HZB, ha demostrado que los MXenos, debidamente funcionalizados, son excelentes catalizadores de la reacción de evolución del oxígeno en la división electrolítica del agua. Son más estables y eficaces que los mejores catalizadores de óxidos metálicos disponibles en la actualidad. El equipo está caracterizando estos catalizadores de MXeno para la separación de agua en la fuente de rayos X berlinesa BESSY II y en el Sincrotrón Soleil (Francia).
El hidrógeno verde se considera una de las soluciones de almacenamiento de energía del futuro. Este gas puede producirse de forma neutra para el clima utilizando electricidad solar o eólica mediante la división electrolítica del agua. Mientras que en un electrodo se producen moléculas de hidrógeno, en el otro se forman moléculas de oxígeno. Esta reacción de evolución del oxígeno (REO) es uno de los factores limitantes de la electrólisis. Se necesitan catalizadores especiales para facilitar esta reacción. Entre los mejores candidatos a catalizadores OER se encuentran, por ejemplo, los óxidos de níquel, que son baratos y están ampliamente disponibles. Sin embargo, se corroen rápidamente en el agua alcalina de un electrolizador y su conductividad también deja mucho que desear. Esto impide actualmente el desarrollo de electrolizadores de bajo coste y alto rendimiento.
El MXeno como catalizador
Una nueva clase de materiales podría ofrecer una alternativa: Los MXenos, materiales en capas formados por metales, como el titanio o el vanadio, combinados con carbono y/o nitrógeno. Estos MXenos tienen una enorme superficie interna a la que se le puede dar un uso fantástico, ya sea para almacenar cargas o como catalizadores.
Un equipo internacional dirigido por la Dra. Michelle Browne ha investigado el uso de los MXenos como catalizadores de la reacción de evolución del oxígeno. El estudiante de doctorado Bastian Schmiedecke "funcionalizó" químicamente los MXenos acoplando hidróxidos de cobre y cobalto a sus superficies. En las pruebas preliminares, los catalizadores así producidos resultaron ser mucho más eficaces que los compuestos puros de óxidos metálicos. Es más, los catalizadores no mostraron degradación e incluso mejoraron su eficacia en funcionamiento continuo.
Mediciones en BESSY II
Las mediciones en la fuente de rayos X BESSY II, con Namrata Sharma y Tristan Petit, demostraron por qué esto funciona tan bien: "Pudimos utilizar la línea de luz Maxymus para averiguar en qué se diferencian las superficies exteriores de las muestras de MXeno de las interiores", explica Schmiedecke. Los investigadores combinaron la microscopía electrónica de barrido (SEM/TEM), la difracción de rayos X (DRX), la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), la microscopía de transmisión de rayos X (STXM) y la estructura de absorción de rayos X de borde cercano (XANES) para obtener más información sobre el material.
Perspectivas: observación bajo carga continua
"Hemos podido demostrar que los MXenos tienen un gran potencial como catalizadores en electrolizadores", afirma Michelle Browne. La colaboración con los equipos asociados del Trinity College de Dublín (Irlanda) y la Universidad de Química y Tecnología de Praga continuará. Además de otras variaciones químicas de los catalizadores de MXeno, el equipo también tiene previsto probar dichos catalizadores en electrolizadores convencionales en funcionamiento continuo.
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Publicación original
Bastian Schmiedecke, Bing Wu, Thorsten Schultz, Aline Alencar Emerenciano, Namrata Sharma, Danielle A. Douglas-Henry, Apostolos Koutsioukis, Mehmet Turan Görüryılmaz, Valeria Nicolosi, Tristan Petit, Norbert Koch, Zdenek Sofer, Michelle P. Browne; "Enhancing the oxygen evolution reaction activity of CuCo based hydroxides with V2CTx MXene"; Journal of Materials Chemistry A, 2024
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