El iridio es un catalizador ideal para la producción electrolítica de hidrógeno a partir del agua, pero es extremadamente caro. Pero ahora un nuevo tipo de electrodo hecho de material altamente poroso hace un excelente trabajo con solo una pizca de iridio.

Hoy dia, El camino real hacia la electrólisis efectiva del agua para la producción de gas hidrógeno en los llamados electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) es reducir la cantidad de iridio de metal noble catalíticamente altamente activo pero espantoso y al mismo tiempo mantener la producción de hidrógeno. En este tipo de celda electrolizadora, los iones de hidrógeno migran a través de una membrana de intercambio de protones desde el ánodo productor de oxígeno hasta el cátodo productor de hidrógeno. La técnica basada en membranas ofrece muchas ventajas. La propia membrana recubierta de catalizador es muy delgada, lo que hace que la propia celda electrolítica sea pequeña y más versátil, y la ausencia de un electrolito líquido significa que todo el sistema prácticamente no requiere mantenimiento. Dichas celdas también permiten la producción de hidrógeno a presiones elevadas, lo que facilita y reduce la demanda de energía para un mayor almacenamiento como gas comprimido. Finalmente, la operación de carga dinámica es posible con la tecnología PEM para reaccionar a las fluctuaciones en la corriente disponible en segundos, lo que la hace adecuada para el acoplamiento a fuentes de energía renovables.

Pero la tecnología también tiene un gran inconveniente. La formación de oxígeno en el ánodo depende del uso de óxido de iridio (IrO2) como catalizador. IrO2 es un promotor muy estable y eficaz de esta reacción. El problema es que el iridio en sí es más raro que el oro o incluso el platino, y es al menos tan caro como este último. Se han hecho muchos intentos para encontrar una alternativa, pero nada aún probado se acerca a la estabilidad a largo plazo y la actividad catalítica del óxido de iridio.

Solo una pizca de iridio es suficiente

Ahora, los químicos de LMU que participan en la conversión electrónica del Cluster of Excellence, en colaboración con un equipo de Forschungszentrum Jülich, han logrado aumentar el rendimiento de hidrógeno en un factor de ocho (en relación con un electrodo de referencia comercial) mediante el uso de un material novedoso y altamente poroso como catalizador. Este éxito implica que debería ser posible desarrollar una celda electrolítica que logre la misma eficiencia que los sistemas actuales basados ​​en iridio, pero que solo requiera un 10% de la cantidad de iridio.

El nuevo electrodo fue desarrollado en el marco de la red de investigación Kopernikus Power-2-X, que es financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación. Su diseño y características de desempeño se describen en un artículo publicado en la revista. Materiales funcionales avanzados . El sistema hace uso de un novedoso soporte oxídico de alta porosidad sobre el que el iridio se puede dispersar uniformemente como una película delgada. que es fácilmente accesible a las moléculas de agua y presenta una alta actividad catalítica.

Cargar el catalizador en cada uno de los poros

El equipo sintetizó por primera vez micropartículas de óxido de estaño dopadas con antimonio nanoestructuradas y conductoras. Estas partículas proporcionan un armazón muy poroso para la unión del catalizador de iridio. Luego prepararon una suspensión coloidal acuosa de nanopartículas de óxido de iridio, que se cargaron en las micropartículas porosas mediante una reacción solvotérmica a alta temperatura y presión. Esto resultó en la reducción de las partículas de óxido de iridio a Ir metálico. Un paso final de oxidación térmica condujo a la formación de nanopartículas de óxido de iridio dentro de los poros del andamio metálico. La microscopía electrónica de barrido posterior confirmó que hasta la última cavidad del armazón estaba recubierta con una película delgada del catalizador. - Y de hecho, Los electrodos recubiertos con el nuevo material pasaron la prueba final con gran éxito. En términos de actividad, es decir, generación de hidrógeno, la eficiencia por gramo de iridio ligado excedía la de un PEM disponible comercialmente en no menos de ocho veces.

Como señala el primer autor del artículo, Daniel Böhm, el procedimiento de síntesis tiene una gran ventaja. "Ahora podemos centrarnos en optimizar cada parámetro individualmente. Los factores relevantes que se pueden ajustar incluyen la composición, estructura y tamaño de poro del material, su conductividad y el nivel de carga con iridio. Al final obtendremos una alta actividad, sistema totalmente optimizado. Todos los pasos de la ruta sintética también son compatibles con las demandas de la producción a escala industrial, por lo que el enfoque podría estar listo para su aplicación técnica en un período de tiempo relativamente corto ".

El material que se utiliza actualmente en los electrolizadores comerciales debe cumplir con estándares muy altos para garantizar un funcionamiento estable durante muchos años. Los próximos proyectos que abordarán este problema ya están planificados, dice la profesora Dina Fattakhova-Rohlfing de Forschungszentrum Jülich. "Primero, queremos sintetizar catalizadores aún más estables con la ayuda de nanoarquitecturas novedosas. Y luego nos gustaría investigar cómo se comportan las propiedades de estos materiales cuando se someten a condiciones operativas durante períodos de tiempo más largos ".