¿Cómo contribuyen los nanomateriales a base de iridio a un futuro más verde?

El premio Metrohm Poster se presentó inicialmente hace 29 años durante la Conferencia de Química Electroanalítica (ELACH) y se ha convertido en una larga tradición. La edición más reciente de este premio se otorgó a dos ganadores en Electroquímica 2022 en Berlín, Alemania. La conferencia, con el tema «En la interfaz entre la química y la física», atrajo a más de 600 científicos especializados en diversas disciplinas de electroquímica. Electroquímica 2022 sirvió como una plataforma posterior a la pandemia para que los participantes exploraran tendencias y aplicaciones de vanguardia, y para compartir avances en áreas vitales como tecnología de sensores, almacenamiento de energía, reducción de CO2, fotoelectroquímica, bioelectroquímica, electrosíntesis, corrosión, análisis electroquímico y electrocatálisis.

Ganadores del Metrohm Poster Award 2022

Se realizaron más de 300 presentaciones de carteles, y el comité de carteles (miembros del panel científico) eligió cuidadosamente los dos primeros. A continuación, los ganadores fueron honrados con un premio de 500 € cada uno en el  award ceremony.

En este artículo se presenta la investigación de Marko Malinović. Su póster se titulaba: «Síntesis de tamaño controlado de nanopartículas cristalinas de IrO2 para reacción de evolución de oxígeno en ambiente ácido».

CO₂, climate change, and cars

La implementación de estrategias para mitigar el cambio climático es de suma importancia. Las consecuencias de las emisiones excesivas de CO2 y la posterior influencia en los climas regionales ya se están sintiendo, lo que resulta en la ocurrencia más frecuente de desastres naturales con inevitables víctimas humanas..

En consecuencia, la fuerte dependencia del sector del transporte de los combustibles fósiles generó el 37 % de las emisiones totales de CO2 en 2021 [1]. A pesar del creciente número de coches eléctricos en las carreteras, se necesitan soluciones tecnológicas adicionales respetuosas con el medio ambiente para afrontar el reto de la reducción de las emisiones de CO2.

Recientemente, se ha prestado más atención a los automóviles impulsados por hidrógeno como una solución parcial. Esta clase de vehículos se basa en la tecnología de celdas de combustible donde el hidrógeno (en una reacción con el oxígeno) genera la electricidad necesaria para impulsar el vehículo, con solo agua y calor como productos secundarios. Aunque esto suena ideal, el hidrógeno solo puede considerarse neutral para el clima si se produce utilizando fuentes de energía renovables. En 2020, se produjeron en Alemania un total de 57 TWh de hidrógeno, un tercio de los cuales proceden del reformado con vapor de combustibles fósiles y, por tanto, directamente vinculados a las altas de CO2 CO₂ emisiones  [2]. La cuota mundial de hidrógeno derivado de fuentes de energía renovables conocida como «green hydrogen» menos del 1%, lo que indica alarmantemente dónde se debe cambiar el enfoque para tener un impacto.

Electrólisis del agua

La solución propuesta para eludir la emisión excesiva de CO2 durante la producción de hidrógeno es a través de la división electroquímica del agua. La energía eléctrica requerida para la reacción endotérmica de la división del agua proviene de fuentes renovables, lo que da como resultado la producción de hidrógeno verde.

Entre las diferentes tecnologías de electrólisis disponibles para la producción a escala industrial, los electrolizadores de agua alcalina y los electrolizadores de agua de membrana de electrolito polimérico (PEM) son los más utilizados. De estos dos, el último proporciona una densidad de corriente hasta cuatro veces mayor y es más adaptable a la entrada eléctrica a veces bastante impredecible de las fuentes de energía renovables. [3]. En comparación con la expansión real de los precios de los combustibles fósiles, el hidrógeno verde se ha vuelto completamente competitivo en costos y, en algunas partes del mundo, incluso más barato que el hidrógeno derivado de fuentes de combustibles fósiles.

Esto plantea la siguiente pregunta: ¿Qué impide que esta tecnología tenga una mayor participación en la producción mundial de hidrógeno?

¿Puede el hidrógeno verde descarbonizar el sector de la movilidad en el futuro?

(Para responder a esta pregunta, nos centraremos en los electrolizadores de agua PEM (PEM-WE). Estos electrolizadores pueden operar convenientemente en condiciones dinámicas, lo que permite su acoplamiento con fuentes de energía renovable. En última instancia, el exceso de electricidad se puede almacenar en forma de hidrógeno.

Para que esto suceda, deben tener lugar dos reacciones electroquímicas en la celda PEM. En el ánodo, el agua se oxida para generar oxígeno, electrones y protones en la reacción conocida como reacción de evolución de oxígeno (OER). En consecuencia, los protones se conducen a través de la membrana y se reducen en el cátodo para formar hidrógeno. (Figura 1). 

A pesar de que el hidrógeno es el producto deseado, el cuello de botella de este proceso es el OER lento que influye directamente en la eficiencia general del electrolizador de agua. Se aplican altos potenciales para superar el problema cinético de OER que, junto con el entorno ácido que se origina en una membrana de electrolito de polímero, crea condiciones bastante duras en la celda, lo que limita la elección de catalizadores para esta reacción principalmente a los metales nobles.

Iridium al rescate, a un costo

De varios materiales investigados, los catalizadores a base de iridio han ofrecido el mejor compromiso entre la actividad catalítica y la durabilidad. [4].Sin embargo, aquí también es donde radica el principal problema con respecto a la ampliación exitosa de la electrólisis del agua PEM. La disponibilidad estimada de iridio es de aproximadamente siete toneladas por año, lo que lo convierte en uno de los metales más escasos del mundo. [5]. Las bajas cantidades de iridio disponible, junto con las tendencias volátiles de la oferta y la demanda y los factores de fuerza mayor relacionados con los principales sitios mineros, se reflejan en su precio, que se ha disparado en 2023 a aproximadamente 150.000 € por kg (desde un punto alto de 172.200 € por kg). kg a finales de abril de 2022) [6].

Teniendo en cuenta el costo y la disponibilidad altos e impredecibles del iridio, un desafío científico importante es encontrar una manera de reducir la carga del catalizador a base de iridio que se usa en PEM-WE mientras se mantiene un alto rendimiento y durabilidad. curiosamente. Bernt et al. [7] calculó que si el sector del transporte debía descarbonizarse para 2100 utilizando vehículos impulsados por hidrógeno, la densidad de potencia específica del iridio debe reducirse en un factor de 50 en comparación con el estado actual.

Nanomateriales para la conversión de energía sostenible.

La gravedad de este desafío es la fuerza impulsora detrás de la investigación de Marko Malinović realizada en el grupo de  Prof. Dr. Marc Ledendecker. Diseñar un catalizador eficiente y duradero a base de iridio con una cantidad reducida de metales nobles no es una tarea trivial. Numerosos diseños de catalizadores (Figura 1) se informan en la literatura que aborda este desafío, que comprende iridio de metal desnudo, óxidos metálicos, óxidos metálicos mixtos, estructuras de núcleo-carcasa, óxidos lixiviados y materiales nanoestructurados. [8]. La investigación de Marko se centra en los materiales de óxido de iridio, ya que potencialmente pueden ofrecer una conductividad similar a la del metal, pero también una mayor durabilidad en comparación con sus contrapartes metálicas.

Para garantizar la máxima utilización del catalizador, la investigación de Marko tiene como objetivo sintetizar nanomateriales que posean una alta relación superficie-volumen, ya que solo la superficie del catalizador participa activamente en la catálisis. Aunque el óxido de iridio amorfo (IrO2) es bien conocido por su actividad superior frente a OER, la durabilidad aún no es suficiente para garantizar tiempos de operación más prolongados. [9]. El óxido de iridio cristalino obtenido a temperatura ≥400 °C tiene una influencia positiva en la estabilidad del catalizador[10].Sin embargo, las altas temperaturas de calcinación conducen inevitablemente a una disminución del área superficial catalíticamente activa.

La novedosa ruta de síntesis desarrollada en el grupo de investigación de Ledendecker ofrece la posibilidad de sintetizar nanopartículas de IrO2 con tamaño y morfología de partícula conservados incluso después del tratamiento térmico a altas temperaturas [11]. Lo que hace que este método sea único es el hecho de que la mejora en la durabilidad no se intercambia a expensas del área superficial catalíticamente activa. Por lo tanto, se asegura el objetivo principal de maximizar la utilización del catalizador.

Los siguientes pasos

Se requiere una mayor reducción de la cantidad de este precioso metal noble. Esto podría garantizarse mediante la introducción de un material abundante en tierra como material del núcleo que, en consecuencia, se recubre con una fina capa de IrO2, creando una estructura conocida como «core-shell» (Figura 1) [12].

Seleccionar el material de núcleo correcto podría tener un impacto crucial en las propiedades electroquímicas finales de la cubierta de óxido de iridio activo. Además de la compatibilidad termodinámica entre el material del núcleo y el de la cubierta, las principales condiciones previas que deben cumplir los materiales del núcleo para ser considerados son su conductividad metálica y su resistencia a la corrosión en un medio ácido. [13]. Teniendo en cuenta que la resistencia a la corrosión de los metales no nobles en las condiciones operativas de PEM-WE es cuestionable, esta tarea es de gran importancia y tendrá especial atención en los futuros planes de investigación de Marko.