Los catalizadores autooptimizados aumentan la eficacia de la electrólisis del agua
Los investigadores desarrollan un marco básico para diseñar catalizadores autoactivadores para la producción ecológica de hidrógeno
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¿Hasta qué punto pueden los catalizadores autoactivables mejorar la producción de hidrógeno en electrolizadores? Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) han estudiado esta cuestión y sus resultados se han publicado recientemente en la prestigiosa revista científica Advanced Energy Materials. "Estos catalizadores se optimizan y mejoran durante su funcionamiento", explica el Dr. Dandan Gao, del Departamento de Química de la JGU. "Por tanto, estamos convencidos de que representan un nuevo paradigma para la producción de hidrógeno". En su artículo de revisión, los investigadores consolidan sistemáticamente, por primera vez, las características clave de la autoactivación. Para ello, realizaron un análisis detallado de 33 estudios publicados sobre la reacción de evolución del oxígeno y 17 estudios sobre la reacción de evolución del hidrógeno. De este modo, no sólo cuantificaron las mejoras de rendimiento conseguidas con estos nuevos catalizadores, sino que también examinaron los mecanismos subyacentes e identificaron las fuerzas impulsoras de la actividad catalítica mejorada. "Los electrocatalizadores autoactivadores tienen el potencial de impulsar una producción de hidrógeno escalable, rentable y sostenible", afirmó Gao.
Una perspectiva holística de la reacción
El hidrógeno verde se produce mediante electrolizadores, que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno en dos electrodos con ayuda de electricidad renovable. Los catalizadores garantizan que esta reacción se produzca con la mayor eficacia posible. Los catalizadores autoactivables, que recubren los electrodos y pueden estar formados por una gran variedad de sustancias, presentan propiedades únicas y muy interesantes: su rendimiento mejora continuamente durante el funcionamiento. "Sin embargo, hasta ahora no se sabía muy bien cómo influía la estructura del catalizador en su rendimiento", explica Gao. La mayoría de los estudios anteriores se centraban sólo en una semirreacción: la reacción de evolución del oxígeno. "Nuestra revisión es la primera que examina tanto el diseño del catalizador para la reacción de evolución del oxígeno como para la reacción de evolución del hidrógeno", explica Gao.
Cambios en la composición y estructura del catalizador
Pero, ¿por qué mejora el rendimiento del catalizador con el tiempo? Gao y su equipo descubrieron que la difusión hace que el material del catalizador se reorganice durante el funcionamiento. "El material del agua y del electrodo se difunde en el catalizador y viceversa, lo que significa que los distintos materiales se entremezclan parcialmente. Esta reorganización es una de las razones de la mayor eficacia", explica Gao.
Además, las sales presentes de forma natural en el agua atacan la superficie del electrocatalizador, haciéndola más activa y eficaz para la reacción deseada. Al mismo tiempo, no sólo penetran materiales extraños en la capa del catalizador, sino que también cambia su nanoestructura, otro factor que contribuye a la autooptimización del catalizador. "La superficie del catalizador se vuelve más rugosa y, por tanto, más grande con el tiempo como resultado de la electrocatálisis. Se exponen más sitios activos, lo que aumenta aún más la eficacia del catalizador", explica Gao.
Orientaciones para futuras investigaciones
En su publicación, los investigadores también miran hacia el futuro próximo. "Con el fin de orientar a los investigadores en los próximos pasos, esbozamos una serie de directrices basadas en los resultados actuales para acelerar la producción sostenible de hidrógeno", explica Gao. ¿Qué lagunas de conocimiento quedan por resolver para hacer posible una producción de hidrógeno escalable, rentable y sostenible?
Los investigadores también sientan las bases para transformar los actuales análisis caso por caso en protocolos estandarizados, haciendo así más eficiente la investigación futura. Por ejemplo, proponen tablas normalizadas en las que puedan documentarse sistemáticamente los mecanismos de reacción y los principales resultados.
Nuevos enfoques: electrólisis del agua de mar
Gao y su equipo también analizan nuevos enfoques de la electrólisis con catalizadores autoactivadores, como la electrólisis del agua de mar, en la que se utiliza agua de mar en lugar de agua dulce como electrolito. Normalmente, esto supone un reto porque los iones de cloruro presentes en el agua de mar atacan y dañan los catalizadores convencionales. Sin embargo, en el caso de los catalizadores autoactivables, el ataque de los iones cloruro a la superficie del electrodo o del catalizador puede ser beneficioso. En lugar de causar degradación, los iones pueden interactuar con la superficie del material de forma que mejoren tanto la estabilidad como la eficacia catalítica. Esto se debe a que los iones influyen deliberadamente en la estructura electrónica y el comportamiento de reacción del material. "Esperamos que los catalizadores autoactivables estén listos para su aplicación industrial en un futuro próximo", dijo Gao, "y así hacer que la producción de hidrógeno sea más rentable y sostenible".
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.
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