Diseño de catalizador inspirado en una batería de plomo-ácido
RuIrOx dopado con Pb para la evolución eficiente y duradera de oxígeno ácido en electrolizadores de membrana de intercambio protónico a 3 A/cm2
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n equipo internacional de investigación del Laboratorio de Materiales del Lago Songshan (SLAB), el Instituto de Física de la Academia China de Ciencias y el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología ha desarrollado un nuevo catalizador de óxido de rutenio-iridio dopado con plomo (RuIrPbOₓ) que presenta una estabilidad y eficiencia extraordinarias para las reacciones de evolución del oxígeno (OER) en electrolizadores de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWEs) que funcionan a densidades de corriente elevadas de 3 A/cm². Este trabajo aborda los antiguos retos de la durabilidad y el rendimiento del catalizador en condiciones ácidas y duras, allanando el camino para tecnologías de producción de hidrógeno más fiables y rentables.
La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua con membranas de intercambio de protones es una solución energética limpia muy conocida y prometedora. En esta tecnología son fundamentales los catalizadores que facilitan la reacción de evolución del oxígeno (REO) en condiciones muy ácidas. En la actualidad, los catalizadores más avanzados, basados principalmente en óxidos de rutenio e iridio, han demostrado una elevada actividad, pero adolecen de importantes problemas de durabilidad cuando funcionan a altas densidades de corriente. Su degradación estructural, que incluye la participación de oxígeno en la red y la lixiviación de metales, limita su vida útil y dificulta su aplicación práctica. Además, equilibrar la actividad, la estabilidad y el coste sigue siendo un reto persistente, en gran parte debido a la naturaleza corrosiva del entorno y a la escasez de metales nobles.
En la actualidad, la mayoría de los electrolizadores PEM utilizan catalizadores a base de iridio porque el IrO₂ puede resistir el corrosivo entorno ácido. Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más raros y caros de la Tierra, y su cadena de suministro mundial es vulnerable a las fluctuaciones geopolíticas. El rutenio, aunque más abundante y activo, sufre una rápida disolución bajo alta tensión, formando especies solubles de RuO₄ que conducen a una rápida degradación. Investigadores de todo el mundo han buscado formas de estabilizar los catalizadores de óxido de Ru-Ir o de sustituir por completo al iridio, pero mantener tanto la alta actividad como la durabilidad a largo plazo con densidades de corriente industriales sigue siendo un reto formidable.
RuIrPbOx como catalizadores de ánodos PEMWE.
Fei Lin and Lifeng Liu from Songshan Lake Materials Laboratory.
La solución
Inspirándose en la robusta química de las baterías de plomo-ácido, los investigadores doparon átomos de plomo en la red de óxido de Ru-Ir mediante un sencillo proceso sol-gel. Los átomos de plomo actúan como estabilizadores electrónicos, ajustando la estructura local de los sitios de rutenio y evitando su disolución, un modo de fallo clave en los catalizadores convencionales.
La caracterización avanzada reveló que el dopaje óptimo de Pb suprime la participación destructiva del oxígeno reticular en la reacción de evolución del oxígeno, preservando la integridad del catalizador. Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT) confirmaron además que el dopaje con Pb reduce la covalencia Ru-O y aumenta la energía de disolución del Ru, evitando eficazmente la lixiviación del Ru. Cuando se integró en un electrolizador PEM completo, este catalizador permitió la electrólisis del agua a 1,96 V @ 3 A cm-², superando a los electrodos comerciales de IrO₂ y RuO₂ y utilizando una cantidad significativamente menor de metal precioso. La carga total de metales del grupo del platino (Pt + Ru + Ir) se redujo a 0,17 mg W-¹, acercándose al objetivo del DOE 2026 de EE.UU. y superando el objetivo de hidrógeno limpio 2030 de la UE para PEMWE.
El futuro
El trabajo futuro se centrará en ampliar la fabricación de electrodos y optimizar la integración de catalizadores en pilas PEM de gran superficie. El equipo también tiene previsto explorar dopantes alternativos y estrategias de nanoestructuración para reducir aún más el consumo de metales preciosos y mejorar el rendimiento a densidades de corriente aún mayores.
El objetivo de estos estudios es acelerar el despliegue industrial de los electrolizadores de agua PEM alimentados por energías renovables, un paso esencial hacia una economía global del hidrógeno verde.
El impacto
Este descubrimiento demuestra una vía práctica para producir catalizadores eficientes y duraderos para la electrólisis ácida del agua, superando uno de los principales obstáculos para la producción de hidrógeno verde a gran escala. Al combinar reducción de costes, alta densidad de corriente y estabilidad excepcional, el catalizador de óxido de Ru-Ir modificado con plomo establece un nuevo punto de referencia para la tecnología de electrolizadores de nueva generación.
El trabajo no sólo avanza en la comprensión fundamental de los mecanismos de estabilidad de los óxidos de metales preciosos, sino que también proporciona un modelo para el diseño de electrocatalizadores robustos para sistemas industriales de energías renovables.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Jingwei Wang, Kaiyang Xu, Zhipeng Yu, Hang Cui, Haoliang Huang, Chenyue Zhang, Run Ran, Liyuan Zeng, Yang Zhao, Xinyi Xiang, Weifeng Su, Yaowen Xu, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, Fei Lin, Lifeng Liu; "Lead-doped ruthenium-iridium oxide catalysts for durable acidic oxygen evolution in proton exchange membrane electrolyzers at 3 A/cm2"; Materials Futures, 2025-11-3
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