El hidrógeno, en caso de obtenerse eficientemente mediante la electrólisis del agua, podría convertirse en un vector energético limpio y decisivo para descarbonizar nuestra sociedad. Uno de los retos de este proceso, que a menudo se pasa por alto, es la formación de burbujas de oxígeno en el ánodo, sobre todo en condiciones ácidas y a altas densidades de corriente. Las burbujas se van acumulando y bloquean los centros activos, de modo que al agua le cuesta más llegar a la superficie del catalizador y el rendimiento global se resiente.
Unos científicos han desarrollado ahora una estrategia que reduce los problemas derivados de esta acumulación de burbujas. Lo han hecho introduciendo vacantes de oxígeno (puntos del material en los que falta un átomo de oxígeno) en la superficie del catalizador, permitiendo al agua de la interfaz adsorberse mejor. Según han demostrado, esto favorece que las burbujas de oxígeno se desprendan y atenúa las inestabilidades que éstas provocan, mejorando así el rendimiento electroquímico.
El logro es obra de un equipo que incluye a F. Pelayo García de Arquer, Aparna Das, Viktoria Golovanova, Anku Guha, Adrián Pinilla Sánchez, Tengyu Chen, Lu Xia, Ranit Ram, Andrea Rogolino y Kaiwen Wang, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, Cataluña, España. El estudio se ha llevado a cabo en estrecha colaboración con el profesor Jordi Arbiol, del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), y la profesora Núria López, del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ), así como con la Universidad de Bayreuth en Alemania y el sincrotrón ALBA en Cerdanyola del Vallès, Barcelona.
Para obtener los citados resultados, el equipo diseñó un catalizador de óxido de rutenio y óxido de cerio (RuOx-CeOx) que utilizó como ánodo en un electrolizador de agua. En comparación con un catalizador de control de RuOx, observaron burbujas cuatro veces más pequeñas y un voltaje de funcionamiento menor, lo que se traduce en un ahorro energético. Esto se debe a que el CeOx actúa como un amortiguador de oxígeno en la superficie del catalizador: favorece la formación de vacantes de oxígeno, aumenta la disponibilidad y la acumulación de agua, y acelera el desprendimiento de las burbujas. “Aunque la formación de vacantes de oxígeno suele considerarse una fuente de inestabilidad en los óxidos de rutenio, nuestros resultados demuestran que también puede ser beneficiosa, ya que garantiza un aporte adecuado de agua a la interfase cuando se trabaja a corrientes elevadas”, explica Aparna Das.
El equipo también observó una mejora del rendimiento en sistemas de óxido de iridio y óxido de cerio (IrOx-CeOx). Esto indica que la estrategia podría aplicarse a otros catalizadores combinados con óxido de cerio, una generalización que los investigadores prevén explorar en los próximos años.
En conjunto, este trabajo pone de relieve la importancia de tener en cuenta la interrelación entre distintos factores en la electrocatálisis, y muestra hasta qué punto las propiedades fundamentales de la superficie del catalizador pueden determinar el rendimiento a escala macroscópica.
“Nuestra estrategia pone de manifiesto la estrecha relación que existe entre las vacantes de oxígeno, la cobertura de agua, la dinámica de las burbujas y la actividad catalítica, y ofrece una vía prometedora para diseñar interfaces catalizador-electrolito más eficientes”, afirma F. Pelayo García de Arquer. “Creemos que esto es imprescindible si queremos producir hidrógeno verde mediante la electrólisis del agua en condiciones relevantes a escala industrial”.
El estudio se titula “Oxygen Management in Ruthenium–Cerium Anode Facilitates Water Adsorption and Bubble Desorption for Oxygen Evolution at High Current Densities”. Y se ha publicado en la revista académica ACS Catalysis.
