Investigadores logran un catalizador innovador para la oxidación del agua, clave en la producción de hidrógeno verde

Un equipo de investigación ha desarrollado un catalizador para la oxidación del agua que destaca por su alta estabilidad y eficiencia, lo que representa un avance significativo en la producción de hidrógeno verde a través de la tecnología de división del agua.

El estudio fue publicado en la revista Science el 25 de abril. El grupo fue liderado por el profesor Yan Ya del Instituto de Cerámica de la Academia China de Ciencias, en colaboración con científicos de la Universidad Huazhong de Ciencia y Tecnología, la Universidad Jiao Tong de Shanghái y la Universidad de Auckland.

La oxidación del agua, que implica la división de moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones, es una reacción clave en la electrólisis del agua. Sin embargo, continúa siendo un cuello de botella debido a su alto consumo energético y a la lentitud de su cinética, lo que requiere catalizadores altamente eficientes para superar estos obstáculos.

A pesar de que los catalizadores actuales basados en metales de transición muestran buena actividad para la oxidación del agua alcalina, suelen degradarse rápidamente en condiciones de alta densidad de corriente a nivel industrial, principalmente debido a la distorsión estructural y la disolución de sitios metálicos activos bajo condiciones de oxidación severas.

Un nuevo enfoque en la catálisis

Para abordar este desafío, los investigadores propusieron una estrategia innovadora que equilibra simultáneamente la alta actividad catalítica y la durabilidad bajo densidades de corriente elevadas. A través de un enfoque de injerto, construyeron una superestructura MOF@POM utilizando marcos orgánicos de metales de cobalto y hierro (CoFe-MOF) sobre polioxometalatos (POM) bridged por níquel.

Bajo condiciones de oxidación del agua, el CoFe-MOF experimenta una transformación in situ en un hidróxido doble en capas de CoFe (CoFe-LDH), unido covalentemente a las unidades POM a través de puentes Ni–O. Así, se logró un catalizador de superestructura de hidróxido de CoFe de una sola capa, altamente activo y estable.

La espectroscopía electroquímica in situ reveló un proceso catalítico sinérgico entre los sitios activos de Co y Fe, así como los centros de ajuste de Ni y W. Los estados de valencia de cobalto y hierro aumentan progresivamente durante la operación, mientras que los componentes de ajuste Ni–O y W–O experimentan oscilaciones dinámicas de valencia.

El análisis sistemático mostró que las unidades POM desempeñan un papel crítico en la estabilización del catalizador, modulando la densidad electrónica y aliviando la tensión de la red, formando un mecanismo dual de estabilización de tensión-electrón que estabiliza efectivamente el catalizador bajo condiciones extremas.

El catalizador CoFe-LDH@POM demostró un rendimiento excepcional en electrolitos alcalinos, requiriendo solo 178 mV de sobrepotencial a 10 mA/cm², superando a los catalizadores convencionales basados en metales de transición. Cuando se integró en un electrólito de membrana de intercambio aniónico, el dispositivo mostró una densidad de corriente de 3 A/cm² con un voltaje de celda de solo 1.78 V a 80 °C, superando el objetivo industrial del Departamento de Energía de EE. UU. para 2025.

Las pruebas a largo plazo subrayaron la robustez del sistema. El electrólito operó de manera estable durante más de 5,140 horas a 2 A/cm² a temperatura ambiente, con una tasa de decaimiento de voltaje mínima de solo 0.02 mV/h. Incluso a una temperatura elevada de 60 °C, el sistema mantuvo su operación continua durante más de 2,000 horas.

Este trabajo no solo establece un nuevo estándar para los catalizadores de oxidación del agua de alto rendimiento, sino que también establece un marco de diseño para electrocatalizadores de próxima generación, avanzando en la electrólisis del agua alcalina hacia una operación industrial de alta corriente y bajo consumo energético.