Las nanoestructuras de iridio especialmente diseñadas depositadas sobre óxido de tantalio mesoporoso mejoran la conductividad, la actividad catalítica y la estabilidad a largo plazo.
Imagen: Investigadores de Corea del Sur y Estados Unidos han desarrollado un nuevo catalizador de iridio con mayor actividad de reacción de evolución de oxígeno para facilitar la electrólisis rentable del agua con una membrana de intercambio de protones para producir hidrógeno. Más información
Las necesidades energéticas mundiales siguen creciendo. La energía transportable de hidrógeno es muy prometedora en nuestra búsqueda de soluciones energéticas limpias y sostenibles. En este sentido, los electrolizadores de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWE), que convierten el exceso de energía eléctrica en energía transportable de hidrógeno mediante la electrólisis del agua, han despertado gran interés. Sin embargo, su aplicación a gran escala en la producción de hidrógeno sigue siendo limitada debido a la baja velocidad de la reacción de evolución de oxígeno (OER), un componente importante de la electrólisis, y a la alta carga de costosos catalizadores de óxidos metálicos, como el óxido de iridio (Ir) y el óxido de rutenio, en los electrodos. Por lo tanto, el desarrollo de catalizadores OER rentables y de alto rendimiento es necesario para la aplicación generalizada de los PEMWE.

Recientemente, un equipo de investigación coreano-estadounidense, dirigido por el profesor Changho Park, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (Corea del Sur), desarrolló un nuevo catalizador nanoestructurado de iridio basado en óxido de tantalio mesoporoso (Ta₂O₃) mediante un método mejorado de reducción con ácido fórmico para lograr una electrólisis eficiente del agua PEM. Su investigación se publicó en línea el 20 de mayo de 2023 y se publicará en el volumen 575 de la revista Journal of Power Sources el 15 de agosto de 2023. El estudio fue coautor del Dr. Chaekyong Baik, investigador del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST).
“La nanoestructura de Ir, rica en electrones, se dispersa uniformemente sobre un sustrato mesoporoso estable de Ta₂O₃, preparado mediante el método de plantilla blanda combinado con el proceso de envolvimiento con etilendiamina, lo que reduce eficazmente el contenido de Ir de una sola batería PEMWE a 0,3 mg cm₂”, explicó el profesor Park. Es importante destacar que el diseño innovador del catalizador Ir/Ta₂O₃ no solo mejora el aprovechamiento del Ir, sino que también presenta una mayor conductividad y una mayor área superficial electroquímicamente activa.
Además, la espectroscopia de fotoelectrones y de absorción de rayos X revela fuertes interacciones metal-soporte entre Ir y Ta, mientras que los cálculos de la teoría del funcional de la densidad indican una transferencia de carga de Ta a Ir, lo que provoca una fuerte unión de adsorbatos como O y OH, y mantiene la relación Ir(III) durante el proceso de oxidación de OOP. Esto, a su vez, resulta en una mayor actividad de Ir/Ta₂O₃, que presenta una sobretensión menor, de 0,385 V, en comparación con los 0,48 V del IrO₂.
El equipo también demostró experimentalmente la alta actividad OER del catalizador, observando una sobretensión de 288 ± 3,9 mV a 10 mA cm⁻² y una actividad másica de Ir significativamente alta de 876,1 ± 125,1 A g⁻¹ a 1,55 V, al valor correspondiente para el Sr. Black. De hecho, el Ir/Ta₂O⁻¹ exhibe una excelente actividad y estabilidad OER, lo cual fue confirmado por más de 120 horas de funcionamiento en celdas individuales del conjunto membrana-electrodo.
El método propuesto tiene la doble ventaja de reducir el nivel de carga Ir y aumentar la eficiencia de la OER. «Esta mayor eficiencia de la OER complementa la rentabilidad del proceso PEMWE, mejorando así su rendimiento general. Este logro podría revolucionar la comercialización de la PEMWE y acelerar su adopción como método general de producción de hidrógeno», sugiere el optimista profesor Park.

En general, este desarrollo nos acerca a lograr soluciones de transporte de energía de hidrógeno sostenibles y, por lo tanto, a alcanzar el estado de carbono neutral.
Acerca del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) El Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) es una universidad de investigación ubicada en Gwangju, Corea del Sur. Fundado en 1993, el GIST se ha convertido en una de las instituciones de investigación más prestigiosas de Corea del Sur. La universidad se compromete a crear un sólido entorno de investigación que promueva el desarrollo de la ciencia y la tecnología, así como la colaboración entre proyectos de investigación nacionales e internacionales. Con el lema "Orgulloso creador de la ciencia y la tecnología del futuro", el GIST se sitúa constantemente entre las mejores universidades de Corea del Sur.
Acerca de los autores: El Dr. Changho Park ha sido profesor en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) desde agosto de 2016. Antes de unirse al GIST, se desempeñó como vicepresidente de Samsung SDI y obtuvo una maestría en Samsung Electronics SAIT. Obtuvo su licenciatura, maestría y doctorado en el Departamento de Química del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología en 1990, 1992 y 1995, respectivamente. Su investigación actual se centra en el desarrollo de materiales catalíticos para conjuntos de electrodos de membrana en celdas de combustible y electrólisis utilizando soportes nanoestructurados de carbono y óxidos metálicos mixtos. Ha publicado 126 artículos científicos y ha recibido 227 patentes en su campo de especialización.
El Dr. Chaekyong Baik es investigador del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST). Participa en el desarrollo de catalizadores PEMWE OER y MEA, y actualmente se centra en catalizadores y dispositivos para reacciones de oxidación de amoníaco. Antes de incorporarse al KIST en 2023, Chaekyung Baik obtuvo su doctorado en Integración Energética en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju.
La nanoestructura de iruro mesoporoso sostenida por Ta2O5 rico en electrones puede mejorar la actividad y la estabilidad de la reacción de evolución del oxígeno.
Los autores declaran que no tienen ningún interés financiero en competencia conocido ni relaciones personales que pudieran parecer haber influido en el trabajo presentado en este artículo.
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