Un nuevo electrocatalizador hecho de níquel (Ni), hierro (Fe) y silicio (Si) que disminuye la cantidad de energía necesaria para sintetizar H2 a partir de agua se ha fabricado de forma sencilla y rentable, aumentando la practicidad del H2 como energía limpia y renovable del futuro.
El hidrógeno es un gas altamente combustible que puede ayudar al mundo a alcanzar sus objetivos de energía limpia si se fabrica de manera ambientalmente responsable. El principal obstáculo para crear gas hidrógeno a partir del agua es la gran cantidad de energía necesaria para la electrólisis del agua, o para dividir las moléculas de agua en gas hidrógeno (H2 ) y oxígeno (O2 ).
La mayor parte del H2 La producción actual proviene de combustibles fósiles, lo que contribuye al calentamiento global. Fabricación H2 del agua a través de la reacción de evolución de hidrógeno (HER) requiere el uso de un catalizador o agente que reduzca la cantidad de energía requerida para una reacción química. Hasta hace poco, estos catalizadores estaban compuestos de metales de tierras raras, como el platino, lo que reducía la rentabilidad y la practicidad de la producción limpia de hidrógeno.
Un grupo de científicos de materiales de la Universidad Tecnológica de Dalian en Dalian, China, fabricó un electrocatalizador o catalizador que utiliza electricidad, utilizando materiales y métodos económicos para disminuir eficazmente la energía necesaria para generar H2 limpio. del agua. Es importante destacar que la aleación o mezcla de siliciuro férrico-níquel (FeNiSi) también reduce la energía necesaria para generar O2. del agua, haciendo que el catalizador sea bifuncional.
Los investigadores publicaron su estudio en Nano Research Energy .
"Lo que realmente limita el desarrollo y la aplicación práctica de la tecnología de electrólisis del agua son los materiales electrocatalíticos. En la actualidad, los catalizadores comunes, como los metales preciosos... son en su mayoría catalizadores de función única, lo que limita la aplicación práctica de la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno. Por lo tanto, la La investigación y el desarrollo de materiales electrocatalíticos bifuncionales eficientes, estables, baratos y respetuosos con el medio ambiente es un objetivo principal en el campo de la electrocatálisis", afirmó Yifu Zhang, autor principal del estudio e investigador de la Facultad de Química de la Universidad Tecnológica de Dalian. P>
Las aleaciones de siliciuro de metales de transición son compuestos únicos que se utilizan comúnmente en campos relacionados con la energía, se producen a bajo costo y son prometedores como potenciales electrocatalizadores de hidrólisis de agua. Estas aleaciones están hechas de metales de transición, que son excelentes catalizadores que donan y aceptan libremente electrones en reacciones químicas, y átomos de Si, que mejoran la estabilidad, la resistencia al calor y la accesibilidad de los átomos de los metales de transición de las aleaciones cuando se aplica electricidad.
Fe y Ni, dos metales de transición, son muy adecuados para su uso en un siliciuro de metal de transición para la división del agua. "El siliciuro de níquel ha sido... profundamente estudiado por su baja resistencia y alta actividad metálica, especialmente... en campos electroquímicos. Además, muchos estudios recientes han demostrado que los materiales basados en Fe-Ni tienen un potencial considerable en el campo de la división electroquímica del agua. El objetivo "El objetivo de este trabajo fue desarrollar una ruta económica y respetuosa con el medio ambiente para preparar siliciuro de hierro y níquel como catalizador de agua electrolítico (EWS) bifuncional", afirmó Zhang.
El equipo de investigación fabricó FeNiSi en dos pasos. Primero, se calentó bajo presión magadiita de arcilla natural, una fuente de silicio, cloruro de hierro y cloruro de níquel, para crear un silicato férrico-níquel. Luego, el silicato férrico-níquel se combinó y calentó con magnesio y cloruro de sodio (sal de mesa) para desarrollar la estructura ordenada de la aleación FeNiSi. Es importante destacar que esta fue la primera vez que se fabricó una aleación de siliciuro metálico utilizando este tipo de reacción química utilizando silicatos metálicos como material de reacción.
Las técnicas de microscopía electrónica y caracterización de rayos X revelaron que el proceso de fabricación creó muchas estructuras de poros en la aleación final de FeNiSi, aumentando su área superficial y su rendimiento electrocatalítico general. La aleación FeNiSi reduce el potencial necesario para separar oxígeno e hidrógeno del agua en 308 mV para la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER) y 386 mV para HER, respectivamente, con una corriente de 10 mA·cm −2 . El electrocatalizador también demostró una durabilidad suficiente después de 15 horas de uso.
El equipo de investigación espera que FeNiSi y otros silicatos de metales de transición contribuyan a la síntesis de gas hidrógeno limpio para las necesidades energéticas futuras.
"Este trabajo no solo proporciona un método sencillo para la síntesis de siliciuro intermetálico con estructuras porosas considerables, sino que también permite que el siliciuro intermetálico se considere como un electrocatalizador bifuncional para EWS. Los electrocatalizadores de siliciuro intermetálico eficientes y de bajo costo brindarán nuevas oportunidades para... energía renovable conversión de energía", afirmó Zhang.
Otros contribuyentes incluyen a Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao y Xueying Dong de la Facultad de Química de la Universidad Tecnológica de Dalian en Dalian, China; Changgong Meng de la Facultad de Química y de la Facultad de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Tecnológica de Dalian; y Chi Huang de la Facultad de Química y Ciencias Moleculares de la Universidad de Wuhan en Wuhan, China.
Más información: Xuyang Jing et al, Aleación intermetálica de siliciuro de níquel férrico derivada de magadiita mediante reacción magnesiotérmica como electrocatalizador bifuncional para la división general del agua, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120104
Proporcionado por Tsinghua University Press
