Como combustible, la quema de gas hidrógeno no contribuye al calentamiento global. Sin embargo, hoy en día, la mayor parte del gas hidrógeno se genera a partir de combustibles fósiles y este proceso libera gases de efecto invernadero a la atmósfera. Generar gas hidrógeno a partir de fuentes limpias, como la división de moléculas de agua con electricidad mediante electrólisis, es importante para lograr la futura neutralidad de carbono, pero los métodos actuales son ineficientes y limitan la practicidad comercial de las tecnologías basadas en hidrógeno.
Un nuevo electrocatalizador aprovecha la actividad electroquímica mejorada, el área de superficie de reacción y la durabilidad para mejorar la eficiencia de la producción de gas hidrógeno mediante electrólisis.
Investigadores del Centro de Excelencia para Tecnología de Catálisis y Energía NaNo (CONNECT) de la Universidad de Xiamen en Malasia sintetizaron y caracterizaron un electrocatalizador de agua eficiente y duradero compuesto por disulfuro de tungsteno dicalcogenuro de metal de transición (WS2 ), un material bidimensional con propiedades semiconductoras, que funciona como aceptor o donador de electrones en la reacción de electrólisis.
El electrocatalizador, WS2 /N-rGO/CC, se crea sobre una tela de carbono (CC) que está unida a óxido de grafeno reducido (rGO), un semiconductor de red bidimensional, combinado con una cantidad muy pequeña de nitrógeno (N) para alterar las propiedades de el semiconductor de óxido de grafeno reducido. Una reacción hidrotermal convierte WS2 bidimensional en estructuras microscópicas tridimensionales parecidas a flores llamadas nanoflores que aumentan el área de superficie del electrocatalizador para mejorar la eficiencia de la reacción.
El equipo publicó sus resultados en la revista Nano Research. .
"Sintetizar un electrodo autoportante para la reacción de desprendimiento de hidrógeno en la hidrólisis del agua es crucial porque aborda un desafío fundamental en la producción de energía limpia. Los métodos tradicionales a menudo dependen de catalizadores y soportes costosos, que pueden limitar la eficiencia y escalabilidad de la producción de hidrógeno. El trabajo representa un avance significativo al crear un electrodo autoportante que no sólo mejora la actividad electrocatalítica, sino que también ofrece una solución rentable y sostenible para la generación de hidrógeno", afirmó Feng Ming Yap, autor principal del artículo y estudiante de posgrado en el Escuela de Ingeniería Química y Energética de la Universidad de Xiamen, Malasia, en Selangor Darul Ehsan, Malasia.
Debido a que la especie activa del electrocatalizador, el disulfuro de tungsteno, se incorpora directamente a los materiales conductores del electrodo, WS2 /N-rGO/CC se considera un electrodo autoportante. No hay aglutinantes poliméricos ni aditivos presentes en el electrocatalizador sintetizado para enmascarar los sitios activos del catalizador o disminuir la conductancia de los electrones, maximizando la eficiencia de la reacción.
El equipo de investigación experimentó incorporando varias cantidades de dimetilformamida (DMF) en la reacción de síntesis hidrotermal final para determinar la mejor concentración para la transición de fase metálica 1T preferida de WS2 para el electrodo. El electrodo desarrollado utilizando una concentración del 50 % de DMF en agua (50 % WGC) durante la última reacción hidrotermal demostró características superiores a los electrodos sintetizados utilizando soluciones de 0, 25, 75 y 100 por ciento de DMF.
"Nuestro electrodo puede producir hidrógeno de manera eficiente en una amplia gama de condiciones de pH, lo que lo hace versátil y adaptable para diversas aplicaciones prácticas. Es un paso hacia la producción de hidrógeno sostenible y eficiente, que es esencial para un futuro energético más limpio", dijo Wee-Jun Ong, supervisor del proyecto y profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Química y Energética de la Universidad de Xiamen en Malasia.
Es importante destacar que el electrocatalizador de WGC al 50% superó al electrocatalizador de referencia de platino, Pt-C/CC al 20%, para HER tanto en condiciones ácidas como básicas. Específicamente, el 50% de WGC demostró un sobrepotencial o energía requerida para dividir el agua menor que el 20% de Pt-C/CC. El sobrepotencial para 50 % WGC fue de 21,13 mV en comparación con 46,03 mV para 20 % Pt-C/CC.
El equipo de investigación cree que electrocatalizadores más rentables y energéticamente eficientes, como 50% WGS, son fundamentales para lograr los objetivos mundiales de energía limpia. "Nuestro objetivo es explorar la escalabilidad y la implementación práctica de nuestra tecnología de electrodos autoportantes. Nuestro objetivo final es contribuir a la transición hacia un panorama energético sostenible, donde el hidrógeno puede desempeñar un papel crucial como fuente de energía limpia y renovable", dijo Ong.
Jian Yiing Loh de la Escuela de Ingeniería Química y Energética y el Centro de Excelencia para Tecnología de Catálisis y Energía NaNo (CONNECT) de la Universidad de Xiamen en Malasia en Selangor Darul Ehsan, Malasia, también contribuyó al estudio. Esta investigación es parte de las iniciativas de las políticas nacionales de Malasia, a saber, la Hoja de Ruta Nacional de Transición Energética (NETR) y la Hoja de Ruta de Economía y Tecnología del Hidrógeno (HETR), para facilitar la energía sostenible de Malasia en los próximos cinco años.
Más información: Feng Ming Yap et al, Integración sinérgica de 1T/2H-WS2 autosuficiente y rGO dopado con nitrógeno sobre tela de carbono para la evolución electrocatalítica de hidrógeno con pH universal, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-6118-8
Información de la revista: Nanoinvestigación
Proporcionado por Tsinghua University Press
