Las reservas limitadas de combustibles fósiles y el aumento de los problemas ocasionados por el cambio climático han hecho que los investigadores desarrollen tecnologías alternativas para producir combustibles ecológicos. El hidrógeno verde generado por la electrólisis del agua empleando energías renovables es considerado la nueva generación de energías renovables para el futuro. Pero en realidad, la inmensa mayoría del combustible de hidrógeno se obtiene por el refinamiento de combustibles fósiles debido al alto coste de la electrólisis.

 

Actualmente, la eficacia de la electrólisis del agua es limitada y normalmente requiere celdas de alto voltaje debido a la falta de eficiencia en la electrocatálisis para las evolución de las reacciones de hidrógeno. Los metales nobles, como el platino (Pt) se emplean como catalizadores para mejorar la generación de hidrógeno, tanto para medios ácidos como alcalinos. Sin embargo, estos catalizadores de metales nobles son muy caros y muestran poca estabilidad en operaciones de larga duración.

Recientemente, los catalizadores de átomo único han mostrado una actividad excelente en comparación a la contraparte basada en nanomateriales. Esto es debido a que son capaces de alcanzar el 100% utilización atómica, por otro lado, las nanopartículas solo tiene disponibles los átomos de su superficie para la reacción. Sin embargo, debido a la simplicidad del centro metálico monoatómico, la realización de modificaciones adicionales para realizar reacciones complejas de múltiples pasos es bastante difícil.

La forma más sencilla de modificar los átomos simples es convertirlos en dímeros monoatómicos, los cuales combinan dos átomos simples juntos. Modificando el centro activo de los catalizadores monoatómicos con dímeros puede mejorar la reacción cinética gracias al efecto sinérgico entre los dos átomos diferentes. Sin embargo, mientras la síntesis e identificación de la estructura del dímero monoatómico se ha conocido conceptualmente, llevarlo a la práctica ha sido muy complicado.

Este problema ha sido aplacado por un equipo de investigadores liderados por el Director Asociado Lee Hyoyoung del Centro de Física para Nanopartículas Integradas en el Instituto para Ciencias Básicas (IBS) situado en la Universidad de Sungkyunkwan. El equipo investigador de IBS ha desarrollado de forma exitosa un dímero Ni-Co con estructura atómicamente dispersa en una estructura de carbono dopado con nitrógeno, llamado NiCo-SAD-NC.

“Sintetizamos la estructura monoatómica Ni-Co en carbono dopado con nitrógeno atrapando los iones de Ni/Co en la esfera de polidopamina, seguido de una pirolisis con preciso control en la coordinación del nitrógeno. Utilizamos un microscopio de última generación y espectroscopia de absorción de rayos-X para identificar de forma exitosa los centros NiCo-SAD con precisión atómica”, dijo Ashwani Kumar, el primer autor del estudio.

Los investigadores encontraron que manterlo durante dos horas a 1075 K en una atmósfera de argón era la mejor forma de obtener la estructura del dímero. Otros dímeros monoatómicos, como el CoMn y el CoFe también se pueden sintetizar utilizando el mismo método, lo que prueba la generalidad de su estrategia.

El equipo investigador evaluó la eficacia de la catálisis del nuevo sistema en términos del sobrepotencial requerido para mover la reacción del hidrógeno. El catalizador NiCo-SAD-NC alcanza niveles comparables de sobrepotencial al de los catalizadores comerciales basados en platino en medio ácido y alcalino. NiCo-SAD-NC también mostró actividades ocho veces mayores a las de catalizadores monoatómicos de Ni/Co y a las nanopartículas heterogéneas de NiCo en medio alcalino.

Además, los investigadores demostraron la estabilidad del nuevo catalizador a larga duración, el cual permite mantener la reacción durante 50 horas sin ninguna alteración estructural. El NiCo-SAD mostró una disociación del agua superior y una absorción protónica óptima en comparación a otros dímeros monoatómicos y a centros monoatómicos de Ni/Co, potenciando la actividad del catalizador a pH universal basado en la densidad funcional de la simulación teórica.

“Estamos muy emocionados de descubrir que la nueva estructura de NiCo-SAD disocia las moléculas de agua con una barrera energética menor y acelera la evolución de la reacción de hidrógeno en medios con pH tanto alcalino como ácido con actuaciones comparables al platino, lo que acerca la llegada de catalizadores monoatómicos de Ni y Co individual. La síntesis de esta estructura de los dímeros ha sido un reto que ha permanecido en el campo de los catalizadores monoatómicos mucho tiempo”, puntualizó el Director Asociado Lee, el correspondiente autor del estudio.

Va más allá con su explicación, “Este estudio nos acerca un paso más a la economía del hidrógeno verde libre de emisiones de carbono. Esta electrocatálisis barata y de alta eficiencia para generación de hidrógeno nos ayudara a enfrentar los retos a largo plazo en la producción de hidrógeno verde económicamente competitivo: para producir hidrógeno de alta pureza para aplicaciones comerciales a bajo precio de forma eco-friendly”.