La electricidad puede ser generada por fuentes renovables como la luz solar y el viento, luego se usa para dividir el agua, que produce hidrógeno como combustible para dispositivos de energía emergentes como las pilas de combustible. Debido a que el hidrógeno es un combustible limpio, los investigadores están haciendo un gran esfuerzo para desarrollar catalizadores de división de agua, que son esenciales para la eficiencia energética de la reacción.

La atención se centra principalmente en la llamada reacción de evolución de oxígeno (REA), que es posiblemente el proceso más desafiante en la división del agua. Después de muchos años de intensa investigación, El óxido de níquel-hierro ahora se establece como el catalizador de referencia para los REA en condiciones alcalinas debido a su alta actividad y composición abundante en tierra. y también porque tiene la mayor actividad por sitio de reacción entre todos los óxidos metálicos.

Hace unos tres años, Los científicos del laboratorio de Xile Hu en EPFL descubrieron otro catalizador que era significativamente más activo que el óxido de níquel-hierro, a pesar de que tenía una composición similar. Es robusto, fácil de sintetizar, y abierto a aplicaciones industriales.

El descubrimiento fue dirigido por Fang Song, un postdoctorado en el grupo de Hu que desde entonces se ha unido a la facultad de la Universidad Jiaotong de Shanghai en China. Reconociendo su potencial tecnológico, Hu, Canción, y su colega Elitsa Petkucheva comenzaron a probar el catalizador en un proyecto de prueba de concepto. El catalizador habilitó un electrolizador eficiente que podría funcionar en condiciones industriales al tiempo que requería 200 mV menos de voltaje.

Pero el nuevo catalizador tampoco era convencional en términos de química. "No teníamos ni idea de por qué el catalizador sería tan activo, "dice Hu. Así que su equipo se dirigió al grupo de Clemence Corminboeuf en EPFL en busca de ayuda. Trabajando con su posdoctorado, Michael Busch, Corminboeuf utilizó cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para buscar posibles explicaciones teóricas. DFT es un computacional, método mecánico cuántico que modela y estudia la estructura de sistemas de muchos cuerpos, p.ej. átomos, y moléculas.

El resultado fue radical:la alta actividad del nuevo catalizador se origina en la acción cooperativa de dos componentes de óxidos de hierro y níquel separados en fases, que superó una limitación previamente identificada de los óxidos metálicos convencionales donde la reacción ocurrió localmente en un solo sitio metálico. Lo llamaron mecanismo bifuncional.

Si bien el mecanismo derivado de DFT era hipotético, guió estudios experimentales sobre la actividad y propiedades del catalizador con Benedikt Lassalle-Kaiser en Synchrotron SOLEIL en Francia. Usando espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), el trabajo descubrió evidencia de óxidos de níquel y hierro separados en dos fases en el catalizador. Pero debido a que los catalizadores pueden sufrir cambios estructurales y de composición durante la catálisis, se hizo necesario estudiar el catalizador en funcionamiento con XAS.

En un estudio exhaustivo de operando XAS, Chen y su estudiante de posgrado, Chia-Shuo Hsu, reveló una estructura única del catalizador:está hecho de nanoclusters de γ-FeOOH unidos covalentemente a un soporte de γ-NiOOH, lo que lo convierte en un catalizador de óxido de hierro-níquel, a diferencia del óxido de níquel-hierro convencional. Aunque no es una prueba directa, esta estructura es compatible con el mecanismo bifuncional propuesto por DFT.

"Este es un estudio verdaderamente interdisciplinario que involucra muchas colaboraciones fructíferas, ", dice Hu." Los estudios fundamentales no solo proporcionan información sobre la estructura y la actividad de este catalizador no convencional, pero también conducen a una hipótesis mecanicista que invita a la reflexión ".