En el futuro, el hidrógeno será necesario para almacenar energía en sistemas energéticos climáticamente neutros, como combustible y como materia prima para la industria química. Idealmente, debería producirse de forma climáticamente neutra, utilizando electricidad generada a partir del uso de energía solar o eólica, mediante electrólisis del agua. En este sentido, la electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones (PEM-WE) se considera actualmente una tecnología importante. Ambos electrodos están recubiertos con electrocatalizadores especiales para acelerar la reacción deseada. Los catalizadores a base de iridio son los más adecuados para el ánodo, donde la reacción de desprendimiento de oxígeno es lenta. Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más raros de la Tierra y el mayor desafío es reducir significativamente la demanda de este metal precioso. Un análisis aproximado muestra que para satisfacer la demanda mundial de hidrógeno para el transporte utilizando la tecnología PEM-WE, el material del ánodo a base de iridio no debe contener más de 0,05 mg.Y/cm2. El mejor catalizador actualmente disponible comercialmente está hecho de óxido de iridio, que es aproximadamente 40 veces este valor objetivo.
El catalizador P2X requiere menos iridio.
Pero ya hay nuevas opciones en el tintero: dentro del proyecto Copernicus P2X, un nuevo nanocatalizador eficiente a base de iridio del Grupo Heraeus Se desarrolló un método en el que se depositaba una fina capa de óxido de iridio sobre un soporte de dióxido de titanio nanoestructurado. El llamado “catalizador P2X” sólo requiere cantidades muy pequeñas de iridio, lo que reduce significativamente la carga del metal precioso (la mejor opción actual). cuatro veces menos que el material comercial).
Un equipo del HZB dirigido por el Dr. Raúl García-Diez y el Prof. Dr.-Ang. Marcus Barr, junto con sus colegas del sincrotrón ALBA de Barcelona, estudió el catalizador P2X, que muestra una estabilidad notable incluso en funcionamiento a largo plazo, y comparó su firma catalítica y espectroscópica con los catalizadores cristalinos comerciales de referencia.
Operando medición en BESSY II
El equipo de HZB utilizó electrólisis de agua (Operante medición). “Queríamos ver cómo los dos materiales catalizadores diferentes cambian estructural y electrónicamente durante la reacción electroquímica de evolución de oxígeno. Operante Ir L3“Espectroscopia de absorción de rayos X de borde (XAS)”, dice Marianne van der Merwe, investigadora del equipo de Bär. También desarrollaron un nuevo protocolo experimental para garantizar que los resultados en las dos muestras fueran exactamente iguales. La tasa de producción permitió comparar los dos catalizadores en condiciones equivalentes.
Se exploraron diferentes ambientes químicos.
“A partir de los datos de medición, pudimos concluir que los mecanismos REA en las dos clases de catalizadores de óxido de iridio son diferentes y que esto se debe a los diferentes entornos químicos de los dos materiales”, dice van der Merwe. Los datos de medición también muestran por qué el catalizador P2X funciona incluso mejor que su punto de referencia más cristalino: en la muestra P2X, la longitud del enlace entre iridio y oxígeno en los potenciales relativos OER del catalizador de referencia es significativamente menor que la de la competencia. Esta reducción en la longitud del enlace Ir-O puede estar relacionada con la participación del entorno del defecto, que se propone ser un actor clave en las vías altamente activas de la reacción de evolución de oxígeno.
“Además, las observaciones electrónicas del estado también se correlacionan con la información geométrica local”, señaló van der Merwe. “Nuestro trabajo proporciona información clave valiosa sobre los diferentes mecanismos de los electrocatalizadores a base de óxido de iridio durante las reacciones de evolución de oxígeno y profundiza nuestra comprensión del rendimiento y la estabilidad del catalizador, mientras que nuestro protocolo electroquímico espectroscópico in situ recientemente propuesto es generalmente aplicable a todos los materiales de estudio. bajo las condiciones pertinentes de los REA.”