Científicos alemanes desarrollan catalizadores autoactivables que optimizan la producción de hidrógeno verde

Un equipo de científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) ha publicado una investigación que podría transformar la producción de hidrógeno verde mediante el desarrollo de catalizadores que se optimizan a sí mismos durante su funcionamiento. El estudio, publicado en la revista científica Advanced Energy Materials, consolida por primera vez las características clave de la autoactivación catalítica y establece un marco para futuras investigaciones en este campo.

"Estos catalizadores se optimizan a sí mismos y mejoran en el transcurso de la operación", explicó la doctora Dandan Gao del Departamento de Química de la JGU, según informó la universidad. "Por lo tanto, estamos convencidos de que representan un nuevo paradigma para la producción de hidrógeno".

Los investigadores realizaron un análisis sistemático de 33 estudios publicados sobre la reacción de evolución de oxígeno y 17 estudios sobre la reacción de evolución de hidrógeno. Este análisis no solo cuantificó las mejoras de rendimiento logradas con estos nuevos catalizadores, sino que también examinó los mecanismos subyacentes e identificó las fuerzas impulsoras detrás de la actividad catalítica mejorada.

El hidrógeno verde se produce mediante electrolizadores que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno en dos electrodos con ayuda de electricidad renovable. Los catalizadores aseguran que esta reacción proceda de la manera más eficiente posible. Los catalizadores autoactivables, que recubren los electrodos y pueden consistir en una amplia variedad de sustancias, exhiben propiedades únicas: su rendimiento mejora continuamente durante la operación.

"Sin embargo, la comprensión de cómo la estructura del catalizador influye en su rendimiento ha sido hasta ahora limitada", dijo Gao, según la universidad. La mayoría de los estudios previos se enfocaron solo en una semi-reacción: la reacción de evolución de oxígeno. "Nuestra revisión es la primera en examinar tanto el diseño de catalizadores para la reacción de evolución de oxígeno como para la reacción de evolución de hidrógeno", explicó.

El equipo descubrió que la difusión hace que el material del catalizador se reorganice durante la operación. "El material tanto del agua como del electrodo se difunde en el catalizador, y viceversa, lo que significa que los diferentes materiales se entremezclan parcialmente. Esta reorganización es una de las razones del aumento de la eficiencia", explicó Gao, según el comunicado de la universidad.

Además, las sales naturalmente presentes en el agua atacan la superficie del electrocatalizador, haciendo que la superficie sea más activa y efectiva para la reacción deseada. Al mismo tiempo, no solo penetran materiales extraños en la capa del catalizador, sino que su nanoestructura también cambia, otro factor que contribuye a la autooptimización del catalizador.

"La superficie del catalizador se vuelve más rugosa y, por lo tanto, más grande con el tiempo como resultado de la electrocatálisis. Se exponen más sitios activos, lo que mejora aún más la eficiencia del catalizador", dijo Gao, según la universidad.

Los investigadores también discuten nuevos enfoques para la electrólisis usando catalizadores autoactivables, incluida la electrólisis de agua de mar, donde se usa agua de mar en lugar de agua dulce como electrolito. Normalmente, esto es desafiante porque los iones de cloruro presentes en el agua de mar atacan y dañan los catalizadores convencionales.

Sin embargo, en el caso de los catalizadores autoactivables, el ataque de los iones de cloruro en la superficie del electrodo o catalizador puede ser beneficioso. En lugar de causar degradación, los iones pueden interactuar con la superficie del material de maneras que mejoran tanto la estabilidad como la eficiencia catalítica. Esto se debe a que los iones influyen deliberadamente en la estructura electrónica y el comportamiento de reacción del material.

Para proporcionar orientación a los investigadores para los próximos pasos, el equipo delineó direcciones futuras basadas en los hallazgos actuales para acelerar la producción sostenible de hidrógeno, según el estudio. Los investigadores también establecen una base para transformar los análisis caso por caso de hoy en protocolos estandarizados, haciendo así que la investigación futura sea más eficiente. Por ejemplo, proponen tablas estandarizadas en las que los mecanismos de reacción y los hallazgos clave puedan documentarse sistemáticamente.

"Esperamos hacer que los catalizadores autoactivables estén listos para la aplicación industrial en un futuro cercano", dijo Gao, según la universidad, "y así hacer que la producción de hidrógeno sea más rentable y sostenible".

La investigación aborda brechas de conocimiento que deben resolverse para permitir una producción de hidrógeno escalable, rentable y sostenible, según los investigadores. El desarrollo de estos catalizadores podría representar un avance significativo en la transición hacia fuentes de energía más limpias y en la lucha contra el cambio climático mediante la reducción de la dependencia de combustibles fósiles.