Agua estable nueva

Los investigadores han desarrollado un catalizador de ánodo de dióxido de rutenio (Ni-RuO2) estabilizado con níquel para la electrólisis del agua mediante membrana de intercambio de protones (PEM). El rutenio, un metal precioso más abundante, sirve como una alternativa prometedora al iridio, más raro y costoso, actualmente el catalizador de ánodo práctico para la electrólisis.

El catalizador Ni-RuO2 muestra alta actividad y durabilidad en OER ácido para electrólisis de agua PEM. Aunque el RuO2 prístino muestra una estabilidad OER ácida deficiente y se degrada en un período corto de operación continua, la incorporación de Ni estabiliza en gran medida la red de RuO2 y extiende su durabilidad en más de un orden de magnitud.

Un esquema muestra el electrolizador de agua experimental desarrollado en Rice para usar un catalizador de rutenio dopado con níquel. Ilustración de Zhen-Yu Wu

Un artículo sobre el trabajo realizado por el laboratorio del ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice y sus colegas de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Virginia se publica en Nature Materials.

Cuando se aplicó al ánodo de un electrolizador de agua PEM, nuestro catalizador de Ni-RuO2 demostró una estabilidad de >1000 h bajo una corriente de división de agua de 200 mA cm−2, lo que sugiere potencial para aplicaciones prácticas. Los estudios de la teoría funcional de la densidad, junto con el análisis de espectroscopía de masa electroquímica diferencial de operando, confirmaron el mecanismo de evolución del adsorbato en Ni-RuO2, así como el papel fundamental de los dopantes de Ni en la estabilización del Ru superficial y el oxígeno subterráneo para mejorar la durabilidad del OER.

El iridio cuesta aproximadamente ocho veces más que el rutenio, dijo Wang, y podría representar del 20% al 40% del gasto en la fabricación de dispositivos comerciales, especialmente en futuras implementaciones a gran escala.

La división del agua involucra las reacciones de evolución de oxígeno e hidrógeno mediante las cuales los catalizadores polarizados reorganizan las moléculas de agua para liberar oxígeno e hidrógeno.

El cátodo es muy estable y no representa un gran problema, pero el ánodo es más propenso a la corrosión cuando se usa un electrolito ácido. Los metales de transición de uso común como el manganeso, el hierro, el níquel y el cobalto se oxidan y se disuelven en el electrolito. Es por eso que el único material práctico utilizado en los electrolizadores de agua de membrana de intercambio de protones comerciales es el iridio. Es estable durante decenas de miles de horas, pero es muy caro.

El laboratorio está trabajando para mejorar su catalizador de rutenio para que encaje en los procesos industriales actuales.

Ahora que hemos alcanzado este hito de estabilidad, nuestro desafío es aumentar la densidad de corriente por lo menos de cinco a diez veces sin dejar de mantener este tipo de estabilidad. Esto es muy desafiante, pero aún posible.

La producción anual de iridio no nos ayudará a producir la cantidad de hidrógeno que necesitamos hoy. Incluso el uso de todo el iridio producido a nivel mundial simplemente no generará la cantidad de hidrógeno que necesitaremos si queremos que se produzca a través de la electrólisis del agua. Eso significa que no podemos confiar completamente en el iridio. Tenemos que desarrollar nuevos catalizadores para reducir su uso o eliminarlo del proceso por completo.

Boyang Li de la Universidad de Pittsburgh es coautor principal del artículo. Los coautores son el estudiante graduado de Rice Peng Zhu; estudiante de posgrado Shen-Wei Yu en Virginia; el físico Zou Finfrock del Laboratorio Nacional de Argonne; la científica Debora Motta Meira de Argonne y Canadian Light Source; el ex alumno de Virginia Zhouyang Yin; y Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song y Hai-Wei Liang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei. Los coautores correspondientes son Sen Zhang, profesor asociado de química en Virginia, y Guofeng Wang, profesor de ciencia mecánica y de materiales en Pittsburgh. Haotian Wang es el presidente del consejo de administración de William Marsh en Rice y profesor asistente de ingeniería química y biomolecular.

La investigación fue apoyada por la Fundación Welch (C-2051-20200401), la Fundación David y Lucile Packard (2020–71371), un Premio de Desarrollo Docente Roy E. Campbell, la Fundación Nacional de Ciencias (1905572, 2004808), la Universidad de Centro de Pittsburgh para la Informática de Investigación y la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional de Argonne.

Recursos

Wu, ZY., Chen, FY., Li, B. et al. (2022) "Electrocatalizador no basado en iridio para una reacción duradera de evolución de oxígeno ácido en la electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones". Nat. Mate. doi: 10.1038/s41563-022-01380-5

Publicado el 22 de octubre de 2022 en Catalizadores, Hidrógeno, Producción de hidrógeno, Antecedentes del mercado | Enlace permanente | Comentarios (1)