La investigación reciente sobre la exigente tarea de desarrollar catalizadores para la producción de hidrógeno ha logrado avances sustanciales.

El profesor Yong-Tae Kim del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Instituto de Graduados en Tecnología de Materiales Ferrosos y Ecológicos, y Kyu-Su Kim, estudiante de doctorado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH ), colaboró ​​en un proyecto de investigación que ofrece una dirección prometedora para el futuro desarrollo de catalizadores para la electrólisis del agua.

Su estudio apareció como artículo de portada en ACS Catalysis .

La electrólisis del agua, un método para producir hidrógeno a partir del abundante recurso agua, surge como una tecnología respetuosa con el medio ambiente que no produce emisiones de dióxido de carbono. Sin embargo, este proceso enfrenta limitaciones debido a su dependencia de catalizadores de metales preciosos como el iridio (Ir), lo que lo hace económicamente inviable. Los investigadores están explorando activamente el desarrollo de catalizadores en forma de aleaciones metálicas para abordar este desafío.

En el campo de la investigación de la catálisis por electrólisis del agua, los principales catalizadores bajo escrutinio son el iridio, el rutenio (Ru) y el osmio (Os). El iridio, a pesar de su alta estabilidad, muestra baja actividad y tiene un precio elevado. Por el contrario, el rutenio muestra una actividad encomiable y es una opción más rentable en comparación con el iridio, aunque carece del mismo nivel de estabilidad.

El osmio, por otro lado, se disuelve fácilmente en diversas condiciones electroquímicas, lo que lleva a la formación de nanoestructuras con una superficie electroquímica activa expandida, mejorando así la actividad geométrica.

Inicialmente, el equipo de investigación desarrolló catalizadores que utilizaban tanto iridio como rutenio. Al combinar estos metales, preservaron con éxito los excelentes atributos de cada uno, lo que dio como resultado catalizadores que demostraron mejoras tanto en la actividad como en la estabilidad. Los catalizadores que incorporan osmio exhibieron una alta actividad debido a la superficie activa electroquímica expandida lograda mediante la formación de nanoestructuras. Estos catalizadores conservaron las propiedades ventajosas del iridio y el rutenio.

Posteriormente, el equipo amplió su experimentación para incluir los tres metales. Los resultados mostraron un aumento moderado de la actividad, pero la disolución del osmio tuvo un efecto perjudicial, comprometiendo significativamente la integridad estructural del iridio y el rutenio. En esta serie, la aglomeración y corrosión de las nanoestructuras se aceleraron, lo que provocó una disminución en el equilibrio del rendimiento catalítico.

Basándose en estos hallazgos, el equipo de investigación ha propuesto varias vías para seguir investigando catalizadores. En primer lugar, destacan la necesidad de una métrica que pueda evaluar simultáneamente tanto la actividad como la estabilidad. Esta métrica, conocida como factor de estabilidad de la actividad, fue introducida inicialmente por el grupo de investigación de Kim en 2017.

Además, el equipo aboga por la retención de propiedades superiores del catalizador incluso después de la formación de nanoestructuras, con el fin de mejorar la superficie electroquímica activa del electrocatalizador. También resaltan la importancia de seleccionar cuidadosamente materiales candidatos que puedan crear sinergias de manera efectiva cuando se alean con otros metales. La esencia de este estudio no radica en presentar resultados específicos como el desarrollo de nuevos catalizadores, sino en ofrecer consideraciones esenciales para el diseño de catalizadores.

El profesor Yong-Tae Kim, quien encabezó la investigación, dijo:"Esta investigación marca el comienzo de nuestro viaje, no la conclusión". Compartió su visión al afirmar:"Estamos dedicados al desarrollo continuo de catalizadores de electrólisis de agua eficientes basados ​​en los conocimientos adquiridos en esta investigación".

Más información: Kyu-Su Kim et al, Equilibrio deteriorado entre actividad y estabilidad mediante la incorporación de Ru en nanoestructuras de evolución de oxígeno basadas en Ir, Catálisis ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c01497

Información de la revista: Catálisis ACS

Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang