Un grupo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y la Universidad de Xiamen ha revelado nuevos conocimientos sobre cómo los átomos de rutenio de la superficie pueden mejorar la evolución del hidrógeno y las actividades de oxidación del platino. Este descubrimiento abre un nuevo espacio para el diseño racional de catalizadores más avanzados para aplicaciones de electrolizadores y pilas de combustible.

El hidrógeno es un portador de energía limpia que no contiene carbono. Se cree que juega un papel esencial en nuestra futura sociedad sostenible. El hidrógeno se puede producir a partir del agua mediante la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) en un electrolizador mediante el uso de energías renovables. y se consume a través de una reacción de oxidación de hidrógeno (HOR) en una celda de combustible para generar electricidad. Desafortunadamente, estas dos reacciones son bien conocidas cinéticamente lentas en medios alcalinos, incluso en los catalizadores de platino más activos. Las lentas velocidades de reacción limitan la eficacia de estos dos dispositivos electroquímicos y dificultan su amplia adopción. Se sabe que las velocidades de reacción de HER / HOR sobre platino se pueden mejorar mediante la modificación de la superficie o la aleación con rutenio. Sin embargo, los mecanismos para esta promoción han sido objeto de debate durante más de décadas. Parte de las razones es la falta de observación directa del comportamiento de los átomos de hidrógeno en las superficies de los catalizadores.

Para revelar el enigma de las altas actividades HER / HOR en catalizadores bimetálicos de platino-rutenio, un equipo de investigación dirigido por el Prof. Minhua Shao, Departamento de Ingeniería Química y Biológica e Instituto de Energía de HKUST, recientemente aplicó la poderosa espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en la superficie (SEIRAS) para monitorear directamente la fuerza de unión del importante intermedio de reacción, átomos de hidrógeno en varias superficies. A través de la electroquímica combinada, espectroscópico y estudios teóricos confirmaron que los átomos de rutenio de la superficie interactuaban con el platino subterráneo es un orden de magnitud más activo que el platino, es decir., los átomos de rutenio en lugar de platino son los principales sitios activos en este sistema.

"Los trabajos anteriores utilizaron principalmente técnicas electroquímicas y de caracterización convencionales, que no puede controlar directamente el comportamiento de adsorción de los intermedios de reacción de hidrógeno. En este trabajo, utilizamos la potente espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en la superficie, que es una de las pocas técnicas que pueden "ver" directamente los átomos de hidrógeno de la superficie, y nos proporciona información más sencilla sobre cómo el rutenio mejora la actividad ", dijo el profesor Shao." Este trabajo descarta la teoría más extendida de que el efecto bifuncional en la interfaz entre el platino y el rutenio es la causa del aumento de las actividades, y abre nuevas direcciones en el diseño futuro de catalizadores HER / HOR más avanzados, lo que, en consecuencia, puede reducir el uso de metales preciosos tanto en los electrolizadores de agua como en las pilas de combustible de hidrógeno ".

Este trabajo es parte del proyecto Collaborative Research Fund recientemente fundado y dirigido por el Prof. Shao "Desarrollo de celdas de combustible de membrana alcalina de alto rendimiento y larga duración, "y constituye una subsección importante de la investigación fundamental de todo este proyecto. Se están realizando los siguientes trabajos sobre el desarrollo de electrocatalizadores bimetálicos de platino-rutenio prácticos y de alto rendimiento basados ​​en estos hallazgos.

Este estudio fue publicado recientemente en Catálisis de la naturaleza titulado "El papel del rutenio en la mejora de la cinética de la oxidación del hidrógeno y las reacciones de evolución del platino".