Estructura cristalina de una aleación de metal rica en oxígeno en la superficie (arriba a la izquierda). El oxígeno y el hidrógeno se generan durante una reacción de electrólisis del agua (arriba a la derecha). El catalizador diseñado exhibe la mejor actividad de desprendimiento de oxígeno con un sobrepotencial mínimo (paneles inferiores). Crédito:IBS
Cuando se consume hidrógeno en una pila de combustible, que toma la molécula de agua H 2 O y lo separa en oxígeno e hidrógeno, un proceso llamado electrólisis, produce solo agua, electricidad y calor. Como fuente de energía sin carbono, el rango de su uso potencial es ilimitado en el transporte, comercial, industrial, Aplicaciones residenciales y portátiles.
Mientras que los procesos tradicionales de producción de hidrógeno requerían combustibles fósiles o CO 2 , la electrólisis produce "hidrógeno verde" a partir de moléculas de agua. Dado que el agua no se puede dividir en hidrógeno y oxígeno por sí misma, la conversión electroquímica de hidrógeno-agua necesita electrocatalizadores muy activos. La electrólisis de agua convencional, sin embargo, enfrenta desafíos tecnológicos para mejorar la eficiencia de la reacción de división del agua para la reacción de evolución lenta del oxígeno. Óxido de rutenio a base de metales nobles (RuO 2 ) y óxido de iridio (IrO 2 ) se utilizan para mejorar la tasa de generación de oxígeno. Sin embargo, estos catalizadores de metales nobles son caros y muestran escasa estabilidad en el funcionamiento a largo plazo.
Dirigido por el Director Asociado LEE Hyoyoung del Centro de Física de Nanoestructuras Integradas dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) ubicado en la Universidad de Sungkyunkwan, el equipo de investigación de IBS desarrolló un electrocatalizador altamente eficiente y duradero para la oxidación del agua utilizando cobalto, hierro y una cantidad mínima de rutenio.
"Usamos copolímeros de bloque anfifílicos para controlar la atracción electrostática en nuestra aleación bimetálica de un átomo de rutenio (Ru). Los copolímeros facilitan la síntesis de grupos esféricos de moléculas de hidrocarburos cuyos segmentos solubles e insolubles forman el núcleo y la cubierta. En este estudio, su tendencia a una estructura química única permite la síntesis de la aleación de Ru atómica única de alto rendimiento presente sobre el compuesto metálico estable de hierro cobalto (Co-Fe) rodeado por poros, carcasa de carbono defectuosa y grafítica, "dice LEE Jinsun y Kumar Ashwani, los co-primeros autores del estudio.
"Estábamos muy emocionados de descubrir que el oxígeno superficial preadsorbido en la superficie de la aleación Co-Fe, absorbido durante el proceso de síntesis, estabiliza uno de los intermedios importantes (OOH) durante la reacción de generación de oxígeno, aumentar la eficiencia general de la reacción catalítica. El oxígeno de la superficie preabsorbido ha sido de poco interés hasta nuestro hallazgo, "dice el director asociado Lee, el autor correspondiente del estudio. Los investigadores encontraron que el recocido de cuatro horas a 750 grados C en una atmósfera de argón es la condición más apropiada para el proceso de generación de oxígeno. Además del entorno favorable a la reacción en la superficie del metal anfitrión, el único átomo de Ru, donde tiene lugar la generación de oxígeno, también cumple su función reduciendo la barrera energética, mejorando sinérgicamente la eficiencia de la evolución de oxígeno.
El equipo de investigación evaluó la eficiencia catalítica con las métricas de sobretensión necesarias para la reacción de evolución de oxígeno. El electrocatalizador noble avanzado requirió solo una sobretensión de 180 mV (milivoltios) para lograr una densidad de corriente de 10 mA (miliamperios) por cm 2 de catalizador, mientras que el óxido de rutenio necesitaba 298 mV. Además, la aleación bimetálica átomo de Ru única mostró estabilidad a largo plazo durante 100 horas sin ningún cambio de estructura. Es más, la aleación de cobalto y hierro con carbono grafítico también compensó la conductividad eléctrica y mejoró la tasa de desprendimiento de oxígeno.
El director asociado Lee dice:"Este estudio nos acerca un paso más a una economía verde del hidrógeno. Este electrocatalizador de generación de oxígeno altamente eficiente y económico nos ayudará a superar los desafíos a largo plazo del proceso de refinación de combustibles fósiles:producir hidrógeno de alta pureza para aplicaciones comerciales a bajo precio y de manera ecológica ".
El estudio fue publicado en línea el 4 de noviembre en la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente .
