La reserva limitada de combustibles fósiles y las amenazas cada vez mayores del cambio climático han alentado a los investigadores a desarrollar tecnologías alternativas para producir combustibles ecológicos. El hidrógeno verde generado a partir de la electrólisis del agua utilizando electricidad renovable se considera una fuente de energía renovable de próxima generación para el futuro. Pero en realidad, la gran mayoría del combustible de hidrógeno se obtiene de la refinación de combustibles fósiles debido al alto costo de la electrólisis.

Actualmente, la eficiencia de la electrólisis del agua es limitada y, a menudo, requiere un alto voltaje de celda debido a la falta de electrocatalizadores eficientes para las reacciones de evolución de hidrógeno. Los metales nobles como el platino (Pt) se utilizan como catalizadores para mejorar la generación de hidrógeno tanto en medios ácidos como alcalinos. Sin embargo, estos catalizadores de metales nobles son muy caros y muestran poca estabilidad en operaciones a largo plazo.

Los catalizadores de un solo átomo tienen ventajas sobre sus contrapartes basados ​​en nanomateriales, logrando una utilización de átomos de hasta el 100 por ciento, mientras que solo los átomos de la superficie de las nanopartículas están disponibles para la reacción. Sin embargo, debido a la simplicidad del centro de un solo átomo de metal, es bastante difícil llevar a cabo modificaciones adicionales de los catalizadores para realizar reacciones complejas de varios pasos.

La forma más sencilla de modificar los átomos individuales es convertirlos en dímeros de un solo átomo, que combinan dos átomos individuales diferentes. Ajustar el sitio activo de los catalizadores de un solo átomo con dímeros puede mejorar la cinética de reacción gracias al efecto sinérgico entre dos átomos diferentes. Sin embargo, mientras que la síntesis e identificación de la estructura del dímero de un solo átomo se conocen conceptualmente, su realización práctica ha sido muy difícil.

Este problema fue abordado por un equipo de investigación dirigido por el Director Asociado LEE Hyoyoung del Centro de Física Integrada de Nanoestructuras dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) ubicado en la Universidad Sungkyunkwan. El equipo de investigación de IBS desarrolló con éxito una estructura de dímero Ni-Co disperso atómicamente estabilizada en un soporte de carbono dopado con nitrógeno, que se denominó NiCo-SAD-NC.

"Sintetizamos la estructura de dímero de un solo átomo de Ni-Co en un soporte de carbono dopado con nitrógeno (N) a través de la captura in situ de iones de Ni/Co en la esfera de polidopamina, seguida de pirólisis con una coordinación de N controlada con precisión. Microscopía electrónica de transmisión y espectroscopía de absorción de rayos X de última generación para identificar con éxito estos sitios NiCo-SAD con precisión atómica", dice Ashwani Kumar, el primer autor del estudio.

Los investigadores encontraron que el recocido durante dos horas a 800°C en una atmósfera de argón era la mejor condición para obtener la estructura del dímero. Otros dímeros de un solo átomo, como CoMn y CoFe, también podrían sintetizarse utilizando el mismo método, lo que demuestra la generalidad de su estrategia.

El equipo de investigación evaluó la eficiencia catalítica de este nuevo sistema en términos del sobrepotencial necesario para impulsar la reacción de evolución del hidrógeno. El electrocatalizador NiCo-SAD-NC tuvo un nivel de sobretensión comparable al de los catalizadores comerciales basados ​​en Pt en medios ácidos y alcalinos. NiCo-SAD-NC también exhibió una actividad ocho veces mayor que los catalizadores de un solo átomo de Ni/Co y las nanopartículas heterogéneas de NiCo en medios alcalinos. Al mismo tiempo, logró una actividad 17 y 11 veces mayor que los catalizadores de un solo átomo de Co y Ni, respectivamente, y 13 veces mayor que las nanopartículas de Ni/Co convencionales en medios ácidos.

Además, los investigadores demostraron la estabilidad a largo plazo del nuevo catalizador, que pudo impulsar la reacción durante 50 horas sin ningún cambio de estructura. NiCo-SAD exhibió una disociación de agua superior y una adsorción de protones óptima en comparación con otros dímeros de un solo átomo y sitios de un solo átomo de Ni/Co, lo que aumentó la actividad del catalizador universal de pH según la simulación de la teoría funcional de la densidad.

"Estábamos muy emocionados de descubrir que la nueva estructura NiCo-SAD disocia las moléculas de agua con una barrera de energía mucho más baja y acelera la reacción de evolución de hidrógeno en medios tanto alcalinos como ácidos con un rendimiento comparable al del Pt, que aborda las deficiencias del Ni individual. y catalizadores de un solo átomo de Co. La síntesis de tal estructura de dímero de un solo átomo fue un desafío de larga data en el campo de los catalizadores de un solo átomo ", señala el director asociado Lee, el autor correspondiente del estudio.

Además, explica:"Este estudio nos lleva un paso más cerca de una economía de hidrógeno verde y libre de carbono. Este electrocatalizador de generación de hidrógeno altamente eficiente y económico nos ayudará a superar los desafíos a largo plazo de la producción de hidrógeno verde rentable:para producir hidrógeno de alta hidrógeno puro para aplicaciones comerciales a un precio bajo y de manera ecológica".

El estudio fue publicado en Nature Communications . + Explora más

Un nuevo catalizador de un solo átomo puede producir hidrógeno a partir de urea a un ritmo excepcional