Catalizador de alta eficiencia y bajo coste para la electrólisis del agua

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Sangaraju Shanmugam de Ciencia e Ingeniería de la Energía del DGIST ha desarrollado un electrocatalizador nanoestructurado de núcleo altamente eficiente y ultraduradero y ha sustituido con éxito el precioso ánodo en la electrólisis del agua, gracias a la colaboración con el grupo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).

La sustitución de los combustibles convencionales por recursos energéticos renovables es un enfoque adecuado para conseguir un medio ambiente respetuoso con el medio ambiente y disminuir la futura demanda de energía. Por lo tanto, la generación o conversión de energía electroquímica en dispositivos de energía renovable, que depende de las reacciones del ánodo y del cátodo, ha recibido mucha atención.

En la división electrocatalítica del agua, el gas oxígeno se genera en el ánodo debido a la reacción de evolución del oxígeno (OER), una reacción electroquímica lenta en comparación con la reacción de evolución del hidrógeno (HER). Por lo tanto, se necesita un electrocatalizador adecuado para una división de agua electrocatalítica estable.

El desarrollo de electrocatalizadores OER eficientes, duraderos y de bajo coste es importante para los dispositivos de energía de los electrolizadores de agua. Hasta ahora, los óxidos de rutenio e iridio se consideraban electrocatalizadores de última generación en OER, pero la falta de estabilidad limita su uso en la división de agua a gran escala, lo que dificulta su comercialización generalizada.

El equipo del profesor Shanmugam, junto con investigadores del PNNL, se ha centrado en el desarrollo de un electrocatalizador alternativo de bajo coste y sin metales nobles para sustituir el electrodo de ánodo de metal noble en la división eficiente del agua. El metal soportado por carbono se considera un material electrocatalítico eficiente para mejorar la OER en la división del agua. Hasta ahora, la mayoría de los electrocatalizadores desarrollados han presentado un mayor contenido de carbono y un menor contenido de especies activas metálicas. La mayor cantidad de carbono ha ensuciado los sitios activos metálicos reales, y ha dado lugar a unas condiciones de corrosión del carbono más rápidas. Esto condujo a una menor actividad electrocatalítica.

En el estudio, los investigadores descubrieron que un gran número de iones metálicos inorgánicos de cobalto puenteados por ligandos orgánicos en el azul de Prusia son un precursor adecuado para desarrollar electrocatalizadores ultraestables, ricos en metales y encapsulados en nanocarbono grafítico con nitrógeno para el OER (ánodo) lento en la división del agua.

Cuando se calienta (600 a 900 grados C) en una atmósfera inerte, los iones metálicos de cobalto y los ligandos orgánicos de la sal se transforman en capas finas de carbono de cobalto y de grafito dopado con nitrógeno, respectivamente, que forman la capa fina de carbono, metálica encapsulada, nanoestructuras core-shell de cobalto (Core-Shell Co@NC). Las capas delgadas de carbono tienen una fuerte interacción con el metal de cobalto, que promueven una menor corrosión del carbono, exhiben un excelente movimiento de electrones y tienen una mayor exposición del metal de cobalto al medio de reacción, incluyendo la formación de una morfología nanoscópica sin agregación de partículas.

El efecto combinado de carbono y metal de cobalto en los electrodos logra una actividad electrocatalítica OER más eficiente que los electrodos de metales preciosos para la división eficiente del agua. Por lo tanto, el electrodo no rico en metales nobles es un ánodo OER alternativo, activo, estable y menos costoso para la producción rentable de gas H2 en la electrólisis del agua a escala comercial.

«Anticipamos que se trata de un enfoque único para el desarrollo de nanoestructuras compuestas de carbono reducido y ricas en metales que cuentan con sitios activos metálicos mejorados, que presentan una protección de la capa de carbono fina y un movimiento de electrones ultrarrápido en la superficie del catalizador, que mejorará la actividad electroquímica y la estabilidad de los electrocatalizadores», afirma el profesor Shanmugam. «Llevaremos a cabo los estudios de seguimiento que pueden servir para comprender el mecanismo real de OER en las especies activas en presencia de la capa de nanocarbono.»

Este resultado de la investigación se publicó en la edición en línea de Advanced Energy Materials el 11 de enero de 2018, una reputada revista internacional en el campo de los materiales emergentes.

Entrevista con el profesor Sangaraju Shanmugam (Departamento de Ciencias de la Energía & Ingeniería):

Q. ¿Cuáles son las diferencias con respecto a los estudios anteriores?

A. En los estudios anteriores, los investigadores prepararon los metales recubiertos de carbono a partir de varios precursores, incluidos los marcos metal-orgánicos (MOF). Los catalizadores obtenidos presentan más carbono con naturaleza grafítica reducida, y el carbono cubría los sitios metálicos activos. Así, la mayoría de los sitios metálicos activos no son utilizados adecuadamente por las reacciones electroquímicas. Además, debido a la importante corrosión del carbono, estos catalizadores no son lo suficientemente adecuados para el lento OER en la división del agua a un potencial positivo más alto con falta de inestabilidad en condiciones de electrolitos difíciles. En consecuencia, en este trabajo, preparamos el electrocatalizador rico en metales y con finas capas de nanocarbono (NC) encapsuladas de nanoestructuras de Co@NC con núcleo a partir de un único precursor análogo del azul de Prusia (PB). Las Co@NC mostraron una mayor actividad de evolución de oxígeno y una ultraestabilidad en el colector de corriente de la espuma de níquel. En general, las capas de carbono finas y uniformes proporcionan un rápido movimiento de los electrones, una mayor utilización de los sitios activos del metal y una fácil penetración del electrolito. Lo más importante es que puede proteger los sitios activos del metal de la corrosión con una exposición mínima y también la fuerte interacción entre el metal y las capas de carbono exhibe el efecto sinérgico hacia la excelente actividad y la ultra estabilidad (más de 350 h) de las nanoestructuras de núcleo de Co@NC con menos posibilidad de oxidación del carbono.

Q. ¿Cómo se puede utilizar?

A. Basándose en el notable rendimiento de la OER, la cinética y la estabilidad a largo plazo de las nanoestructuras de Co@NC con núcleo en comparación con los electrocatalizadores basados en metales nobles de última generación, como el IrO2 y el RuO2, es el candidato más adecuado para sustituir a los electrodos de OER de metales preciosos para reducir el coste global del sistema de electrolizadores de agua. Por lo tanto, el desarrollo de un electrocatalizador de metal no noble eficiente y duradero en el electrolizador de agua es el principal obstáculo para la comercialización exitosa de los electrolizadores de agua.

Q. ¿Cuánto tiempo se necesitará para la comercialización?

A. El proceso está fácilmente disponible para la fabricación de catalizadores rentables. Pero todavía tenemos que evaluar la integración de este sistema catalítico en un electrolizador de membrana de polímero. Se están realizando estudios para comprender el mecanismo de OER en este electrocatalizador. Así que para la comercialización, puede ser necesario un año con la comprensión completa de la actividad y la estabilidad.

Q. ¿Cuáles son los retos para la comercialización?

A. Tenemos que hacer el recubrimiento uniforme de este catalizador en los colectores de corriente de mayor tamaño sin ningún tipo de pelado. Así que tenemos que encontrar una metodología de recubrimiento más adecuada. Además, al igual que con los preciosos electrocatalizadores OER, tenemos que entender el mecanismo preciso de OER en estos electrocatalizadores para mantener/evitar las pérdidas de actividad debido a las reacciones secundarias no deseadas, etc.

Q. ¿Cuál es la motivación de su investigación?

A. La motivación principal de este trabajo es sustituir el ánodo precioso en los sistemas de electrolizadores de agua con alta actividad y estabilidad. Así que para mejorar la actividad y la estabilidad, tratamos de introducir el recubrimiento de carbono muy fino en los sitios activos de metal. En general, el desarrollo de electrocatalizadores OER ricos en metales y sin carbono con una utilización adecuada de las especies activas de los metales y el efecto sinérgico metal-carbono para superar la lenta reacción del ánodo en la electrólisis del agua.

Q. ¿Cuál es el objetivo final que le gustaría alcanzar a través de esta investigación?

A. Basándonos en esta investigación, entendemos que los electrocatalizadores ricos en metales se encuentran entre los materiales más adecuados para una excelente actividad OER. Así que queremos preparar los electrocatalizadores anódicos más baratos utilizando la misma metodología y eliminar el uso de electrodos preciosos en el sistema de electrolizador de agua para la producción de hidrógeno verde y sostenible a gran escala.