Las preocupaciones sobre el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera y el calentamiento global han hecho que sea un imperativo ambiental reemplazar los combustibles fósiles con alternativas más limpias y sostenibles. En este sentido, el hidrógeno, una fuente de energía limpia, se perfila como un excelente candidato potencial.

Entre los varios métodos disponibles para la generación de hidrógeno, la división del agua usando electricidad en presencia de un catalizador, o división del agua electrocatalítica, como se le llama, es el más limpio. Desafortunadamente, el proceso requiere catalizadores de metales nobles raros y costosos, como el platino, para mantener una eficiencia razonable. Esto, a su vez, ha limitado sus aplicaciones industriales a gran escala.

Una opción relativamente económica son los catalizadores a base de metales de transición, como óxidos, sulfuros, hidróxidos de cobalto, níquel, hierro, etc. Sin embargo, hay un problema:la división electrocatalítica del agua consta de dos semirreacciones, a saber, la reacción de evolución de hidrógeno ( HER) y la reacción de evolución de oxígeno (OER). En OER, las moléculas de agua se oxidan para formar oxígeno e iones de hidrógeno positivos en el ánodo (electrodo con carga positiva). Luego, los iones de hidrógeno se mueven a través del electrolito hacia el cátodo (el electrodo con carga negativa), donde se reducen para producir hidrógeno (HER). Resulta que la mayoría de los catalizadores basados ​​en metales de transición informados hasta ahora solo pueden catalizar HER o OER. Esto genera una configuración complicada y un costo general más alto.

En este contexto, investigadores de la Universidad Chung-Ang de Corea desarrollaron, en un nuevo estudio, un nuevo catalizador heteroestructurado que consta de sulfuro de cobalto hueco (CoS_x ) y nanoláminas de doble hidróxido (LDH) en capas de níquel-hierro (NiFe) que impulsan simultáneamente ambas semirreacciones. Este documento estuvo disponible en línea el 15 de marzo de 2022 y se publicó en el volumen 18, número 16 de la revista Small el 16 de abril de 2022.

"Una estrategia razonable para fabricar catalizadores altamente eficientes para la división del agua es integrar de forma elaborada NiFe LDH activo en OER y catalizadores activos en HER en una heteroestructura", explica el profesor asistente Seung-Keun Park, quien dirigió el estudio. "Dada su gran área de superficie y su estructura abierta, se cree que los catalizadores HER huecos son ideales para este trabajo. Resulta que las estructuras metalorgánicas (MOF, por sus siglas en inglés) son un precursor eficiente para fabricar estructuras huecas. Sin embargo, un catalizador hueco basado en MOF con NiFe LDH no se ha informado hasta ahora".

En consecuencia, los investigadores depositaron electroquímicamente nanoláminas de NiFe LDH de manera controlada en la superficie de CoS_x hueco. nanoarreglos soportados en espuma de níquel. "La integración de un catalizador HER activo, CoS_x y un catalizador OER, NiFe LDH, garantiza una actividad catalítica bifuncional superior", dice el Dr. Park.

Y, de hecho, el catalizador pudo entregar de manera consistente una alta densidad de corriente de 1000 mA cm ^-2 en ambas semirreacciones a bajos voltajes de celda, lo que sugiere su viabilidad para aplicaciones de división de agua a escala industrial. Los investigadores atribuyeron esto a la presencia de amplios sitios activos en la heteroestructura del catalizador, lo que permitió la penetración de electrolitos y la liberación de gases durante las reacciones. Además, un electrolizador basado en este catalizador demostró una alta densidad de corriente de 300 mA cm ^-2 a un voltaje de celda bajo y una durabilidad de 100 horas en la división general del agua.

"Es probable que las propiedades electrocatalíticas mejoradas de nuestro catalizador se deban a su heteroestructura jerárquica única y la sinergia entre sus componentes. Creemos que nuestro trabajo nos llevará un paso más cerca de lograr una sociedad con cero emisiones", dice el Dr. Park. + Explora más

Nanohojas tridimensionales dopadas con manganeso como electrocatalizadores eficientes para la división de agua alcalina