La producción eficiente y de bajo costo de hidrógeno es un paso importante hacia el desarrollo de fuentes de energía alternativas y limpias. La división electroquímica del agua, que divide el agua en sus elementos hidrógeno y oxígeno mediante un electrocatalizador, es una opción viable para producir hidrógeno. Convencionalmente, los catalizadores se han basado en elementos costosos como el platino, lo que dificulta la aplicación de esta tecnología a escala comercial generalizada.

En un artículo publicado recientemente, los investigadores demostraron cómo agregar molibdeno a un catalizador de fosfuro de níquel-cobalto y sintetizarlo con un proceso hidrotermal en gradiente, en el que el catalizador se calienta a 100 grados, 150 grados y luego 180 grados Celsius durante 10 horas, creó una microestructura única que mejoró el rendimiento del catalizador, lo que dio como resultado una producción de hidrógeno que podría ser más aplicable a la producción de hidrógeno a gran escala.

El artículo fue publicado en Nano Research .

"La innovadora combinación de procesos hidrotermales en gradiente y de fosfidación forma una estructura de microesferas", afirmó Yufeng Zhao, profesor de la Facultad de Ciencias y del Instituto de Energía Sostenible de la Universidad de Shanghai en Shanghai, China.

"Estas nanopartículas con un diámetro de aproximadamente 5 a 10 nanómetros forman nanoagujas, que posteriormente se autoensamblan en una estructura esférica. Las nanoagujas ofrecen abundantes sitios activos para una transferencia eficiente de electrones y la presencia de partículas de pequeño tamaño y rugosidad a microescala mejora la liberación de burbujas de hidrógeno."

Para crear esta microestructura única, los investigadores emplearon una técnica llamada dopaje de elementos. El dopaje elemental es la adición intencional de impurezas a un catalizador para mejorar su actividad. En este estudio, se añadió molibdeno (Mo) al fosfuro (P) bimetálico de níquel-cobalto (Ni-Co).

Los fosfuros de Ni-Co ya tienen un rendimiento electrocatalítico excepcional debido a la forma en que interactúan los iones de cobalto y níquel. Después de agregar el molibdeno y luego usar un proceso hidrotermal en gradiente, el Ni-CoP dopado con Mo se depositó sobre una espuma de níquel. Después de este proceso, se formó la microestructura única de nanoagujas en el fosfuro.

"El dopaje con trazas de molibdeno optimiza la estructura electrónica y aumenta el número de sitios electroactivos", dijo Zhao. Se probó la confiabilidad, la estabilidad y el rendimiento del catalizador Ni-CoP dopado con Mo. Su densidad se mantuvo casi constante después de 100 horas y su estructura se mantuvo en buen estado, gracias en parte a la estructura única de las nanoagujas, que evitan que el catalizador colapse a medida que se acumula el hidrógeno. Los cálculos también mostraron que el catalizador de fosfuro era excepcionalmente eficiente.

De cara al futuro, los investigadores esperan probar el rendimiento de la reacción en diferentes soluciones, como soluciones ácidas y neutras. Los estudios futuros también buscarán alternativas a la espuma de níquel, como la malla de titanio, que puedan funcionar en todo el rango de pH. "En trabajos futuros, recomendamos explorar la aplicación del catalizador en la producción de hidrógeno asistida por oxidación de moléculas pequeñas, como la urea. Este enfoque reduciría el potencial excesivo de la electrólisis del agua y mitigaría la contaminación ambiental causada por las aguas residuales de urea", dijo Zhao.

Más información: Chengyu Huang et al, Electrocatalizador altamente eficiente y estable para la evolución de hidrógeno mediante nanoagujas de fosfuro de Ni-Co dopadas con molibdeno a alta densidad de corriente, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5892-7

Información de la revista: Nanoinvestigación

Proporcionado por Tsinghua University Press