El gas hidrógeno es una alternativa limpia y renovable a los combustibles fósiles, pero los métodos de producción industrial actuales utilizados para producir hidrógeno liberan carbono a la atmósfera y contaminan el medio ambiente.
Un nuevo catalizador, un compuesto de carbono fosfuro de níquel-hierro-molibdeno anclado sobre espuma de níquel (NiFeMo-P-C), ha reducido significativamente la cantidad de electricidad necesaria para generar hidrógeno y oxígeno a partir del agua, proporcionando un medio limpio y eficiente para producir gas hidrógeno. .
Un equipo de destacados ingenieros químicos ha sintetizado un catalizador rentable y de fácil fabricación diseñado para reducir la cantidad de energía necesaria para la electrólisis del agua, que divide las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad.
El gas hidrógeno y oxígeno se separan del agua mediante la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) y la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER), respectivamente. La aleación de metal de transición, o mezcla que contiene al menos un metal, níquel-hierro-molibdeno (NiFeMo), se utilizó como catalizador para la electrólisis del agua debido al llenado incompleto de los orbitales electrónicos en los átomos de los metales de transición níquel y hierro, lo que la convierte en un electrón ideal. Donante y aceptor en reacciones químicas. Se añadió fosfuro al catalizador para mejorar la resistencia a la corrosión en una solución electrolítica alcalina o de pH básico.
El equipo publicó los resultados de su estudio en Nano Research Energy. el 7 de julio.
"El hidrógeno es reconocido como la alternativa más ideal a los combustibles fósiles debido a su alta... densidad energética, alta eficiencia de conversión de calor y cero emisiones de carbono. Sin embargo, los métodos de producción de hidrógeno comúnmente aplicados en la industria, incluido el reformado con vapor de gas natural y metanol y la gasificación de carbón, consume combustibles fósiles y causa una grave contaminación al medio ambiente", afirmó Jingjing Tang, supervisor del estudio y profesor asociado de la Universidad Central del Sur en Changsha, China.
"La electrólisis del agua toma agua como materia prima para producir hidrógeno de alta pureza mediante la conversión de electricidad en energía química, que es una tecnología de producción de hidrógeno limpia y prometedora", afirmó Tang.
Los catalizadores utilizados para reducir la energía requerida tanto para HER como para REA existían anteriormente, pero utilizaban platino y óxido de iridio, elementos valiosos que son caros y escasos. La creación de un catalizador asequible que reduzca la energía de activación de ambas reacciones reduce los costos generales de fabricación y mejora la viabilidad comercial de la producción limpia de gas hidrógeno.
Un desafío al diseñar un catalizador bifuncional fueron los requisitos especiales de los REA. "Debido a que la REA es una reacción de transferencia de cuatro electrones con una cinética lenta, generalmente funciona mejor en una solución alcalina. Era fundamental investigar electrocatalizadores a base de metales no nobles con un excelente rendimiento bifuncional en un electrolito alcalino", dijo Espiga. El equipo creó la aleación y el fosfuro metálico para mantener la integridad del catalizador en estas condiciones alcalinas.
Para probar la composición y el estado de valencia del catalizador NiFeMo-P-C generado, el equipo sometió el compuesto a una medición de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) para confirmar la presencia de Ni, Fe, Mo, P, C y O. El espectro de resolución del níquel también identificó órbitas de espín 2p3/2 y 2p1/2, que se refieren al estado de los electrones en los átomos de níquel del catalizador.
En general, el electrocatalizador NiFeMo-P-C recientemente desarrollado requiere sobrepotenciales muy bajos, o energía necesaria para dividir el agua, para HER (87 mV para lograr una densidad de corriente de 10 mA·cm –2 ) y OER (196 mV para lograr una densidad de corriente de 10 mA·cm –2 ). El voltaje de la celda, o diferencia de voltaje entre dos electrodos, requerido para la electrólisis del agua usando el catalizador también es de solo 1,50 V a 10 mA·cm –2 .
El equipo es optimista en cuanto a que su descubrimiento hará realidad la producción limpia de hidrógeno. "A diferencia de la mayoría de los catalizadores bifuncionales, NiFeMo-P-C puede lograr un rendimiento catalítico excelente sin pasos de preparación complicados ni nanoestructuras elaboradas. Además, la durabilidad superior sin ninguna atenuación [de voltaje] dentro de 50 horas... hace de NiFeMo-P-C un metal [no precioso] ideal catalizador] candidato... para la producción de hidrógeno a gran escala", dijo Tang.
Otros contribuyentes incluyen a Xiangyang Zhou, Tingting Yang, Ting Li, Youju Zi, Sijing Zhang, Lei Yang, Yingkang Liu y Juan Yang de la Escuela de Metalurgia y Medio Ambiente de la Universidad Central del Sur en Changsha, China.
Más información: Xiangyang Zhou et al, Fabricación in situ de un compuesto de carbono NiFeMo-P anclado sobre espuma de níquel como catalizador bifuncional para impulsar la división general del agua, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120086
Proporcionado por Tsinghua University Press
