Los ánodos para la división electrolítica del agua suelen ser materiales a base de iridio. Para aumentar la estabilidad del catalizador de iridio, un equipo de HZB y un grupo de HI-ERN han producido la llamada biblioteca de materiales:una muestra en la que se varía sistemáticamente la concentración de óxidos de iridio y titanio.
Los análisis de los segmentos de muestra individuales en BESSY II en el laboratorio EMIL mostraron que la presencia de óxidos de titanio puede aumentar significativamente la estabilidad del catalizador de iridio.
Una opción para almacenar energía procedente del sol o del viento es la producción de hidrógeno "verde" mediante electrólisis. El hidrógeno almacena energía en forma química y la libera nuevamente cuando se quema, sin producir gases de escape, solo agua. Hoy en día, el iridio es el catalizador de última generación para esta reacción. Sin embargo, el iridio se disuelve cada vez más en el ambiente ácido de la celda de electrólisis, por lo que el efecto catalítico disminuye rápidamente.
"Queríamos investigar si se puede mejorar la estabilidad del catalizador añadiendo diferentes proporciones de óxido de titanio", afirma el Prof. Dr. Marcus Bär (HZB). Aunque el óxido de titanio no es catalíticamente activo, es muy estable. "Teníamos algunos indicios de que la presencia de óxido de titanio tendría un efecto positivo en la estabilidad sin influir en el efecto catalítico del iridio. Pero también queríamos saber si existe una proporción de mezcla ideal."
La muestra fue producida en el Instituto Helmholtz de Erlangen-Núremberg para Energías Renovables (HI-ERN) por el equipo de la Prof. Dra. Olga Kasian pulverizando titanio e iridio con composiciones que varían localmente. Se trata de una biblioteca de materiales denominada de película fina en la que el contenido de iridio varía del 20% al 70%
En BESSY II; El equipo utilizó métodos espectroscópicos de rayos X para analizar cómo cambia la estructura química dependiendo del contenido de iridio de las muestras mixtas de óxido de iridio y titanio. Aquí influyeron varios efectos:por ejemplo, la presencia de subóxidos de titanio (como TiO y TiOx ) mejoró la conductividad del material.
Otro resultado interesante fue que algunos de los óxidos de titanio se disuelven más rápido en el electrolito acuoso que el iridio, creando microporos en la superficie. Esto promovió la reacción de desprendimiento de oxígeno porque más átomos de iridio de las capas inferiores entraron en contacto con el electrolito.
Sin embargo, el efecto principal es que los óxidos de titanio (TiO2 , así como TiO y TiOx ) reducen significativamente la disolución del iridio. "En la muestra a la que se añadió un 30 % de titanio, en comparación con un material de electrodo de iridio puro, observamos una resolución de iridio aproximadamente un 70 % menor", afirma Marianne van der Merwe, que realizó las mediciones en el marco de su doctorado con Marcus Bär.
Pero, ¿qué importancia tienen para la industria esos resultados de la investigación de laboratorio? "Si ya existen tecnologías establecidas, al principio siempre es difícil cambiar algo", afirma Marcus Bär. "Pero aquí mostramos cómo se puede aumentar significativamente la estabilidad de los ánodos con un esfuerzo manejable."
El estudio se publica en la revista ACS Catalysis .
Más información: Marianne van der Merwe et al, Propiedades químicas y electrónicas de los catalizadores de reacción de evolución de oxígeno Ir-TiOx mixtos con estabilidad mejorada, Catálisis ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02948
Información de la revista: Catálisis ACS
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
