Cuando los electrones "saltan" al agua: el secreto de las altas capacidades de los electrodos
Los investigadores descifran cómo un mínimo "desbordamiento de electrones" multiplica por diez la capacidad de almacenamiento de energía
Con el fin de desarrollar electrolizadores mejorados para la producción regenerativa de hidrógeno, es preciso comprender con precisión los procesos que tienen lugar en las superficies de los electrodos metálicos utilizados. Los investigadores del Departamento de Teoría del Instituto Fritz Haber han podido demostrar ahora que incluso el más mínimo desbordamiento de electrones metálicos en el entorno del electrolito acuoso basta para multiplicar por más de diez la capacidad de almacenamiento de energía. Sólo si las simulaciones por ordenador tienen en cuenta este efecto mecánico cuántico podrán utilizarse de forma fiable para investigar nuevos y prometedores materiales para electrolizadores.
La producción electroquímica de hidrógeno o de combustibles sintéticos constituye uno de los principales pilares del futuro almacenamiento sostenible de energía. Sin embargo, los materiales de electrodo utilizados en los electrolizadores actuales aún no logran estos procesos de conversión química con la suficiente eficacia o se corroen con demasiada rapidez. La búsqueda de materiales adecuados más activos y/o duraderos es, por tanto, un campo de investigación muy activo. El uso de modernas simulaciones por ordenador podría complementar los largos y complejos experimentos, contribuyendo así a acortar los largos ciclos de investigación y desarrollo que se necesitan urgentemente.
Sin embargo, las simulaciones por ordenador sólo pueden cumplir esta función si describen con fiabilidad los sistemas reales. Para captar con precisión las conversiones químicas, esta descripción debe llegar hasta los detalles de la estructura atómica y, por desgracia, incluso después de años de intensa investigación, aún quedan problemas sin resolver. Un problema conocido desde hace tiempo es que las simulaciones atómicas anteriores no podían reproducir correctamente la capacidad experimental ni siquiera de un electrodo modelo relativamente sencillo pero prototípico. La capacidad calculada para esta superficie monocristalina definida de platino, es decir, la capacidad de almacenamiento intrínseca, siempre resultaba al menos un factor de 10 demasiado pequeña.
Los investigadores del Departamento de Teoría del Instituto Fritz Haber han descubierto que este problema se debe a la naturaleza clásica de las técnicas de simulación utilizadas hasta ahora. Lang Li, primer autor del estudio publicado en la prestigiosa revista Journal of the American Society, explica: "Por clásico entendemos que los efectos de la mecánica cuántica no se han tenido en cuenta explícitamente en las simulaciones hasta ahora". En las complejas simulaciones que incluyen estos efectos, ella y el equipo dirigido por el Dr. Nicolas Hörmann pudieron confirmar plenamente los valores experimentales. En concreto, sus análisis demostraron que los electrones penetran desde la superficie del electrodo de platino hasta las primeras capas de agua del electrolito circundante en cierta medida, y es esta expansión la que aumenta significativamente la capacidad.
Con estos conocimientos, ahora se pueden mejorar específicamente las futuras simulaciones por ordenador de nuevos y prometedores materiales para electrodos. Uno de los enfoques podrían ser los métodos de aprendizaje automático que, tras un entrenamiento adecuado con datos mecánicos cuánticos complejos, incorporan eficazmente este llamado desbordamiento de electrones en simulaciones clásicas más eficientes.
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