La transición a una economía energética sostenible requiere métodos electrocatalíticos para convertir la energía eléctrica en energía química y materias primas. Un equipo de investigadores de TU Berlín, ETH Zúrich, el Consejo Nacional de Investigación — Instituto de Materiales de Trieste, y liderado por el FHI ahora ha descubierto el mecanismo de reacción de un cuello de botella importante en estos procesos, la reacción de desprendimiento de oxígeno. Los resultados se publican en Naturaleza .

Evolución de oxígeno electrocatalítico, la semirreacción crítica de la división del agua, es una tecnología clave en la transición hacia una economía de energía renovable. Esto es porque, a medida que aumenta la proporción de fuentes de energía renovable no despachables (como la energía eólica y solar), Se necesitan soluciones de almacenamiento de energía para absorber las fluctuaciones de energía intermitentes y garantizar un suministro de energía confiable. De estos, la conversión de energía eléctrica en combustibles químicos por medio de protones y electrones es una de las más flexibles, ya que los combustibles químicos pueden usarse cuando y donde se necesitan.

Un gran obstáculo sin embargo, ha encontrado electrocatalizadores para la conversión concomitante de agua en oxígeno molecular, la reacción de desprendimiento de oxígeno, que proporciona los protones y electrones para producir esos combustibles. En un esfuerzo por desarrollar electrocatalizadores mejorados, Los expertos han asumido durante mucho tiempo que la reacción de desprendimiento de oxígeno electrocatalítico se puede entender utilizando un método bien establecido. Teoría de décadas desarrollada para describir reacciones de transferencia de electrones no catalíticas. El equipo de investigadores decidió probar esas suposiciones y, sorprendentemente, descubrió que la reacción de evolución del oxígeno es en realidad más similar a la termocatálisis tradicional de lo que se pensaba anteriormente. Esto permite que las herramientas y los conceptos desarrollados para describir los catalizadores térmicos tradicionales se apliquen por primera vez a sus homólogos electroquímicos.

"Es importante comprender la ciencia básica detrás de los electrocatalizadores para poder mejorarlos en el futuro. Cada vez nos quedaba más claro que la imagen tradicional de lo que impulsa las reacciones electrocatalíticas era incompleta, "explica Peter Strasser, uno de los coautores de la Universidad Técnica de Berlín. Él agregó, "Los investigadores asumen típicamente que la reacción de evolución de oxígeno está controlada por la acción directa del potencial eléctrico en la coordenada de reacción. Esa es una imagen muy diferente de la termocatálisis, donde los controles de formación y ruptura de enlaces químicos pasan por la química de la superficie".

En un estudio publicado en Naturaleza , el equipo informa cómo una de las clases más exitosas de catalizadores de evolución de oxígeno, óxidos de iridio, opera. Realizaron espectroscopía de rayos X operando basada en sincrotrón en BESSY II en Berlín y Petra III en Hamburgo para estudiar cómo se comportan los óxidos de iridio durante la evolución de oxígeno electrocatalítico. Estos experimentos les permiten monitorear simultáneamente el potencial eléctrico y la química de la superficie. Tomaron lo que aprendieron en estos experimentos para construir modelos a escala atómica de las superficies del catalizador, que se utilizaron en simulaciones de mecánica cuántica de la reacción en el Centro de Computación de Alto Rendimiento en Stuttgart.

"Las simulaciones mostraron que la velocidad de reacción depende exponencialmente de la cobertura superficial de la carga oxidativa, de acuerdo con las medidas, "dice Travis Jones del Instituto Fritz Haber.

"Las simulaciones también capturaron el cambio en la pendiente de Tafel, una característica clave del óxido de iridio, y lo atribuyó a un cambio en la respuesta de la carga oxidativa al potencial, en lugar de un cambio en el mecanismo, como se pensaba anteriormente, "explica Simone Piccinin, un coautor del Consejo Nacional de Investigación — Instituto de Materiales de Trieste, Italia. Estos estudios llevaron a los investigadores a sospechar que la reacción estaba controlada por la química de la superficie en lugar de que el potencial actuara directamente sobre la coordenada de reacción.

Al desarrollar un método de laboratorio para cuantificar la acumulación de carga, el equipo pudo analizar una variedad de materiales y descubrió que todos mostraban el mismo comportamiento. Detre Teschner del Instituto Fritz Haber explica:"Parecía que el papel del potencial era oxidar la superficie y que la carga acumulada a través de esta oxidación controlaba la velocidad de reacción de manera muy similar a la catálisis térmica".

Después de ver que la carga parecía mediar la velocidad electrocatalítica, los investigadores buscaron un medio para controlar la carga del catalizador independientemente del potencial para probar su hallazgo. "Necesitábamos una forma química de cambiar la cantidad de carga que podían almacenar los catalizadores y rápidamente nos dimos cuenta de que podíamos hacerlo reemplazando parte del oxígeno en la superficie con cloro, ya que el cloro no se puede oxidar para almacenar carga adicional". "dice Javier Pérez-Ramírez de ETH Zürich.

El equipo de Zürich utilizó su experiencia en química de halógenos para producir una serie de catalizadores con diferentes cantidades de cloro. Como se esperaba, la carga que los catalizadores podían almacenar variaba con la cantidad de cloro en ellos. Las pruebas electrocatalíticas de estos nuevos materiales verificaron su comportamiento en la reacción de evolución de oxígeno y coincidieron con las predicciones del equipo. "Ver cómo cambiar la capacidad de un catalizador para almacenar carga alteraba de manera predecible su actividad catalítica nos dio confianza en los hallazgos. Esperamos que este resultado se aplique a una amplia clase de electrocatalizadores y planeamos utilizar este nuevo conocimiento para diseñar y probar nuevos materiales, "dice Travis Jones del Instituto Fritz Haber.