Hidrógeno verde: el MXeno aumenta la eficacia de los catalizadores
Un camino prometedor hacia una nueva clase de catalizadores
Los MXenos son capaces de albergar partículas catalíticamente activas. Esta propiedad puede aprovecharse para crear materiales catalizadores más potentes que aceleren y mejoren significativamente la reacción de evolución del oxígeno, que es uno de los cuellos de botella en la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis con energía solar o eólica. Un estudio detallado realizado por un equipo internacional dirigido por la química de la HZB Michelle Browne muestra el potencial de estos nuevos materiales para futuras aplicaciones a gran escala. El estudio se publica en Advanced Functional Materials.
El hidrógeno verde está llamado a desempeñar un papel importante en el futuro sistema energético: puede utilizarse para almacenar energía química, como materia prima para la industria química y para producir combustibles respetuosos con el clima. El hidrógeno verde puede generarse de forma prácticamente neutra para el clima si la energía utilizada para la electrólisis -el proceso de división del agua en sus elementos- procede de la energía solar o eólica. Sin embargo, se necesitan catalizadores especiales para acelerar la formación de hidrógeno y oxígeno en los dos electrodos. En concreto, la reacción de evolución del oxígeno es lenta y requeriría mucha más energía sin catalizadores eficaces. En la actualidad, estos catalizadores se fabrican a partir de metales preciosos, que son raros y caros. Para producir hidrógeno verde en las cantidades necesarias a un precio razonable, se necesitan catalizadores fabricados a partir de elementos fácilmente disponibles.
Estructuras escamosas
En HZB, un equipo dirigido por Michelle Browne está desarrollando sofisticadas alternativas basadas en los llamados MXenos. Los MXenos son estructuras escamosas de carbono y metales de transición. Las partículas catalíticamente activas pueden adherirse a las superficies interiores de los MXenos, potenciando así su efecto catalizador. Un nuevo estudio publicado en la revista Advanced Functional Materials demuestra ahora que esta idea funciona.
El primer autor del estudio, Can Kaplan, utilizó distintas variantes de un MXeno de carburo de vanadio como base de su investigación. Aprovechó la oportunidad de investigar en el laboratorio de los socios suecos de la Universidad de Linköping durante su doctorado, como parte de un programa de intercambio durante el mismo.
El papel de las vacunas
"Allí sintetizamos dos variantes de MXeno: V2CTx puro y V1.8CTx con un 10% de vacantes de vanadio. Estas vacantes de vanadio garantizan que la superficie interna de esta variante sea significativamente mayor", explica Can Kaplan.
Incrustación de CoFe en MXene
En el laboratorio HZB de Michelle Browne, Kaplan desarrolló un proceso químico de varios pasos para incrustar partículas catalizadoras de Co0,66Fe0,34 en el MXene. Las imágenes tomadas con un microscopio electrónico de barrido muestran que fue un éxito; los MXenos puros tienen una estructura pastosa, pero ésta cambió significativamente debido a la incorporación de las partículas de cobalto-hierro.
Mayor eficacia: CoFe en el MXeno deficiente en vanadio
A continuación, el equipo investigó el efecto de las distintas muestras de catalizador utilizadas durante la electrólisis: hierro-cobalto puro y mezclado con una de las dos variantes de MXeno. Los resultados fueron muy claros: también el compuesto puro de hierro-cobalto actúa como catalizador. Sin embargo, cuando se incrusta en MXene, el efecto catalizador aumenta significativamente. Y la eficacia aumenta aún más cuando el compuesto de hierro-cobalto se incrusta en MXeno con numerosas vacantes.
Mediante espectroscopia de absorción de rayos X in situ en la fuente de sincrotrón SOLEIL (Francia), el equipo pudo seguir los cambios en los números de oxidación del cobalto y el hierro durante la reacción electrolítica.
Un camino prometedor hacia una nueva clase de catalizadores
Probamos estos catalizadores tanto a escala de laboratorio como en un electrolizador mucho mayor", subraya Kaplan. Esto hace que nuestros resultados sean realmente significativos e interesantes para aplicaciones industriales".
Actualmente, la industria aún no ha considerado el MXeno como material portador de partículas catalíticamente activas en el radar", afirma Michelle Browne. 'Estamos llevando a cabo aquí una investigación básica, pero con perspectivas claras: sobre las aplicaciones. Nuestros resultados han proporcionado una primera visión de la compleja interacción entre la estructura del soporte, la incrustación de partículas catalíticamente activas y la actividad catalítica". El MXeno es un candidato prometedor para el desarrollo de catalizadores innovadores, muy eficaces y baratos, concluye Michelle Browne.
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Publicación original
Can Kaplan, Karuppasamy Dharmaraj, Thorsten Schultz, Leiqiang Qin, Ningjun Chen, Danielle A. Douglas‐Henry, Bastian Schmiedecke, Merve Buldu‐Akturk, Axel Zuber, Iris Dorbandt, Maximilian Reinhardt, Yael Rodriguez‐Ayllon, Yan Lu, Valeria Nicolosi, Norbert Koch, Johanna Rosen, Michelle P. Browne; "Enhancing CoFe Catalysts with V2CTX MXene‐Derived Materials for Anion Exchange Membrane Electrolyzers"; Advanced Functional Materials, 2025-5-15
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