La electrólisis es un proceso que utiliza electricidad para crear moléculas de hidrógeno y oxígeno a partir del agua. El uso de membranas de intercambio de protones (PEM) y energía renovable para la electrólisis del agua se considera ampliamente como un método sostenible para la producción de hidrógeno. Sin embargo, un desafío en el avance de la tecnología de electrólisis de agua PEM es la falta de catalizadores eficientes, de bajo costo y estables para la reacción de evolución de oxígeno (REA) en soluciones ácidas durante la electrólisis de agua PEM.
Si bien los catalizadores a base de iridio son una solución potencial, el iridio metálico es raro y costoso por naturaleza. Alternativamente, los óxidos de rutenio (RuO2 ) ofrecen una opción más asequible y reactiva, pero también adolecen de problemas de estabilidad. Por lo tanto, los investigadores están explorando formas de mejorar la estabilidad del RuO2 estructura para desarrollar catalizadores REA prometedores para la implementación exitosa de la tecnología de producción de hidrógeno.
Ahora, en un estudio reciente publicado en el Journal of Energy Chemistry , un grupo de investigadores, dirigido por el profesor Haeseong Jang del Departamento de Ingeniería de Materiales Avanzados de la Universidad Chung-Ang, ha desarrollado un catalizador REA prometedor.
Denotado como SA Zn-RuO2 , el catalizador comprende RuO2 estabilizado por átomos individuales de zinc. Al profundizar en su estudio, el profesor Jang dice:"Nos motivó la necesidad de encontrar electrocatalizadores alternativos eficientes y rentables para los REA en la electrólisis del agua PEM. Basándonos en nuestro estudio, proponemos una estrategia de ingeniería dual que implica dopaje de Zn de un solo átomo. y la introducción de vacantes de oxígeno para equilibrar la alta actividad catalítica con la estabilidad durante los REA ácidos".
Los investigadores sintetizaron SA Zn-RuO2 calentando una estructura orgánica con átomos de rutenio (Ru) y zinc, formando una estructura con vacantes de oxígeno (átomos de oxígeno faltantes que alteran positivamente las propiedades) y enlaces Zn-O-Ru.
Estos enlaces estabilizan el catalizador de dos maneras:fortaleciendo los enlaces Ru-O y proporcionando electrones de los átomos de zinc para proteger el rutenio de la sobreoxidación durante el proceso REA. Además, el entorno electrónico mejorado alrededor de los átomos de rutenio reduce las energías necesarias para que las moléculas se adhieran a la superficie, reduciendo así la barrera energética para la reacción.
El catalizador resultante fue más estable, sin caída aparente en la reactividad, y superó significativamente al RuO2 comercial. . Además, requirió menos energía adicional (bajo sobrepotencial de 213 mV en comparación con los 270 mV del RuO2 comercial). ) y permaneció funcional durante un período más largo (43 horas en comparación con 7,4 horas para el RuO2 comercial ).
Debido a su estabilidad y características mejoradas, el nuevo SA Zn-RuO2 El catalizador tiene el potencial de influir en el desarrollo de electrocatalizadores rentables, activos y resistentes a los ácidos para REA. Esto, a su vez, podría ayudar a reducir costos y mejorar la producción de hidrógeno verde, contribuyendo a un cambio hacia fuentes de energía más limpias y avances en tecnologías sostenibles.
"Creemos que este cambio puede revolucionar las industrias, el transporte y la infraestructura energética y contribuir a los esfuerzos destinados a combatir el cambio climático y fomentar un futuro más resiliente y consciente del medio ambiente. Esto se debe a que el hidrógeno verde accesible puede tener un impacto transformador en las sociedades al mitigar impactos ambientales, creación de empleo y garantía de la seguridad energética a través de soluciones energéticas diversificadas y sostenibles", explica el profesor Jang.
En resumen, el RuO2, altamente reactivo y catalíticamente estable El catalizador para REA ácido tiene una mayor durabilidad y características favorables y tiene potencial para guiar el diseño de electrocatalizadores REA no basados en iridio, robustos y activos para aplicaciones prácticas.
Más información: Qing Qin et al, Sintonización de la estructura electrónica de RuO2 por átomo único de Zn y vacantes de oxígeno para impulsar la reacción de evolución de oxígeno en medio ácido, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.010
Proporcionado por la Universidad Chung Ang
