La forma de las nanopartículas es un factor decisivo en su eficacia como catalizadores para la producción de hidrógeno verde.

Hasta la fecha, las nanopartículas como catalizadores del hidrógeno verde han sido como remeros en un ocho : los investigadores solo podían medir su desempeño promedio, pero no podían determinar cuál era el mejor. Esto ahora ha cambiado tras el desarrollo de un nuevo método por parte del grupo dirigido por la profesora Kristina Tschulik, directora de la Cátedra de Electroquímica y Materiales a Nanoescala en la Universidad Ruhr de Bochum, Alemania. En colaboración con investigadores de la Universidad de Duisburg-Essen, demostró con éxito que las nanopartículas de óxido de cobalto en forma de cubo son más eficientes que las esféricas. Esto allana el camino para el diseño sistemático de catalizadores rentables y eficientes para el hidrógeno verde. Los investigadores informan en la revista Advanced Functional Materials del 3 de enero de 2023.

Cómo hacer que la electrólisis sea competitiva

El mundo debe reducir las emisiones de CO2 para combatir el cambio climático. Para ello, hoy en día se utiliza mucho el llamado hidrógeno gris, que se obtiene del petróleo y el gas natural, mientras se intenta sustituirlo por hidrógeno verde, que procede de fuentes renovables. El hidrógeno verde se puede producir mediante electrólisis, un proceso en el que se usa electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, aún deben abordarse varios desafíos para que la electrólisis sea un enfoque competitivo. En la actualidad, el proceso de división del agua solo es eficiente en un grado limitado y no hay suficientes catalizadores potentes, duraderos y rentables para ello. « Actualmente, los electrocatalizadores más activos se basan en los raros y caros metales preciosos iridio, rutenio y platino », enumera Kristina Tschulik. « Como investigadores, nuestro trabajo es, por lo tanto, desarrollar nuevos electrocatalizadores altamente activos que no contengan metales preciosos ».

Su grupo de investigación estudia catalizadores en forma de nanopartículas de óxido de metal base que son un millón de veces más pequeñas que un cabello humano. Fabricados a escala industrial, varían en forma, tamaño y composición química. « Usamos mediciones para examinar las denominadas tintas catalizadoras, en las que miles de millones de partículas se mezclan con aglutinantes y aditivos », destaca Kristina Tschulik. Este método solo permite a los investigadores medir un rendimiento promedio, pero no la actividad de partículas individuales, que es lo que realmente importa. « Si supiéramos qué forma de partícula o faceta de cristal, las superficies que apuntan hacia afuera, es la más activa, podríamos producir específicamente partículas con esa forma exacta », dice el Dr. Hatem Amin, investigador postdoctoral en química analítica en la Universidad Ruhr de Bochum.

Ganador de la carrera de nanopartículas

El grupo de investigación ha desarrollado un método para analizar partículas individuales directamente en solución. Esto les permite comparar la actividad de diferentes nanomateriales entre sí para comprender la influencia de las propiedades de las partículas, como su forma y composición, en la división del agua. « Nuestros resultados indican que las partículas de óxido de cobalto en forma de cubos individuales son más activas que las esferas, ya que estas últimas siempre tienen otras facetas menos activas ».

La teoría confirma el experimento

Los hallazgos experimentales del grupo de Bochum fueron confirmados por sus socios de cooperación encabezados por la profesora Rossitza Pentcheva de la Universidad de Duisburg-Essen como parte del Centro de Investigación Colaborativa/Transregio 247. Los análisis teóricos de este último indican un cambio en las regiones activas del catalizador, concretamente del cobalto átomos que están rodeados por átomos de oxígeno que forman un octaedro a átomos de cobalto que están rodeados por un tetraedro. « Nuestros conocimientos sobre la correlación entre la forma de las partículas y la actividad sientan las bases para el diseño basado en el conocimiento de materiales catalizadores viables y, en consecuencia, para la transformación de nuestras industrias químicas y de energía fósil hacia una economía circular basada en fuentes de energía renovables y altamente activas, catalizadores duraderos », concluye Kristina Tschulik.