Las nanoestructuras de iridio especialmente diseñadas y 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 en la 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. El hidrógeno transportable ofrece grandes perspectivas en la búsqueda de soluciones energéticas limpias y sostenibles. En este sentido, los electrolizadores de agua con membrana de intercambio protónico (PEMWE), que convierten el exceso de energía eléctrica en hidrógeno transportable mediante 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 elevada carga de costosos catalizadores de óxido metálico, como el 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 liderado por el profesor Changho Park del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju en Corea del Sur desarrolló un nuevo catalizador nanoestructurado de iridio basado en óxido de tantalio mesoporoso (Ta2O5) mediante un método mejorado de reducción con ácido fórmico para lograr una electrólisis eficiente del agua de las baterías de intercambio protónico (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 coescrito por el 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 Ta2O5 preparado mediante el método de plantilla blanda combinado con el proceso de recubrimiento con etilendiamina, lo que reduce eficazmente el contenido de Ir de una sola batería PEMWE a 0,3 mg cm-2”, explicó el profesor Park. Es importante destacar que el diseño innovador del catalizador Ir/Ta2O5 no solo mejora la utilización del Ir, sino que también presenta una mayor conductividad y una mayor superficie electroquímicamente activa.
Además, la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y la espectroscopia de absorción de rayos X revelan 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 adsorbentes como O y OH, y mantiene la proporción de Ir(III) durante el proceso de oxidación fuera de la fase orgánica. Esto, a su vez, resulta en una mayor actividad de Ir/Ta2O5, que tiene una sobretensión menor de 0,385 V en comparación con 0,48 V para 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 en comparación con el valor correspondiente del Sr. Black. De hecho, el Ir/Ta2O5 exhibe una excelente actividad y estabilidad OER, lo cual se confirmó aún más mediante más de 120 horas de funcionamiento de una sola celda 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. “La mayor eficiencia de la OER complementa la rentabilidad del proceso PEMWE, mejorando así su rendimiento general. Este logro podría revolucionar la comercialización de PEMWE y acelerar su adopción como método principal de producción de hidrógeno”, sugiere el optimista profesor Park.

En definitiva, este avance nos acerca a lograr soluciones sostenibles para el transporte de energía de hidrógeno y, por lo tanto, a alcanzar la neutralidad de carbono.
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, GIST se ha consolidado como una de las instituciones más prestigiosas del país. La universidad se dedica a crear un entorno de investigación sólido que impulse el desarrollo de la ciencia y la tecnología, así como la colaboración entre proyectos de investigación nacionales e internacionales. Con el lema «Forjadores de la ciencia y la tecnología del futuro», GIST se sitúa constantemente entre las mejores universidades de Corea del Sur.
Acerca de los autores: El Dr. Changho Park es profesor en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) desde agosto de 2016. Antes de incorporarse al GIST, fue vicepresidente de Samsung SDI y obtuvo una maestría en Samsung Electronics SAIT. Se licenció, obtuvo su 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 pilas de combustible y electrólisis, utilizando soportes de carbono nanoestructurado y óxidos metálicos mixtos. Ha publicado 126 artículos científicos y ha obtenido 227 patentes en su campo de especialización.
El Dr. Chaekyong Baik es investigador en el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST). Participa en el desarrollo de catalizadores PEMWE OER y MEA, centrándose actualmente en catalizadores y dispositivos para reacciones de oxidación de amoníaco. Antes de incorporarse al KIST en 2023, Chaekyong Baik obtuvo su doctorado en Integración Energética en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju.
La nanoestructura mesoporosa de iridio soportada por Ta2O5 rico en electrones puede mejorar la actividad y la estabilidad de la reacción de evolución de oxígeno.
Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses financieros ni relaciones personales que pudieran haber influido en el trabajo presentado en este artículo.
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