Cátodos de metales no nobles para hidrógeno verde escalable

Tecnología ambiental

Revisado por Lexie Corner28 de abril de 2025

Investigadores de la Universidad de Tohoku han desarrollado una estrategia de reconstrucción de superficies para crear cátodos duraderos a base de metales no nobles que mejoran la reacción de evolución de hidrógeno (HER). El estudio se publicó en Advanced Energy Materials .

Caracterizaciones de CoP|F-20 y CoP. a) Ilustración sintética esquemática de CoP|F sobre CFP. b) Imagen SEM de nanoláminas de CoP|F-20 sobre una sola fibra de carbono. Barra de escala, 2 µm. c) Imagen TEM en falso color de una nanolámina de CoP|F-20 típica, que muestra su espesor relativo. Barra de escala, 100 nm. d) Imágenes STEM de resolución atómica de CoP|F-20. Barra de escala, 1 nm. El recuadro superior derecho muestra el patrón FFT correspondiente y el inferior izquierdo muestra la estructura cristalina a lo largo del eje de la zona [101̄]. e Mapeo elemental STEM-EDX de CoP|F-20, que muestra la distribución homogénea de Co (verde), P (azul) y F (rojo). Barra de escala, 200 nm. Imágenes HAADF-STEM de CoP|F-20 f y CoP g, y las intensidades de píxeles integradas h correspondientes de los espaciamientos a lo largo de la faceta (201). Barra de escala, 1 nm. i) Espectros XPS de Co₂₄ y j) P₂₄ de catalizadores de CoP|F-20 y CoP. Espectros de XANES en el borde K de CoP|F-20, CoP y lámina de Co. l) Ajuste de curvas en el espacio R de los espectros EXAFS de CoP|F-20 y CoP. Crédito de la imagen: Heng Liu et al.

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El HER es un método potencial para generar combustible de hidrógeno limpio, lo que podría contribuir a combatir el cambio climático. Sin embargo, persisten los desafíos para escalar la reacción desde el laboratorio hasta la producción comercial a gran escala, manteniendo costos bajos.

Los cátodos demostraron un rendimiento estable durante más de 300 horas y se espera que alcancen un costo cercano al objetivo de producción de hidrógeno del Departamento de Energía de EE. UU. para 2026 (2,00 dólares por kg de H₂⁻¹ ) . Este trabajo podría contribuir al desarrollo de cátodos eficientes, basados ​​en metales no nobles, para electrolizadores comerciales de membrana de intercambio de protones (PEM), lo que podría acortar la distancia entre la investigación y la aplicación industrial.

El estudio abordó la ineficiencia y la lenta cinética del HER mediante la exploración de fosfuros de metales de transición (TMP), que muestran potencial para mejorar el rendimiento del HER gracias a su durabilidad y rentabilidad como metales no preciosos. Dado el uso habitual de metales nobles para esta aplicación, los investigadores se propusieron completar el conocimiento sobre estos metales.

El equipo sintetizó fosfuro de cobalto (CoP) modificado con flúor y examinó la reconstrucción de su superficie y sus sitios activos mediante espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) operando y mediciones Raman. La incorporación de flúor a la red CoP 1-X  creó sitios vacantes de fósforo (P) en la superficie, que actúan como sitios activos adicionales, acelerando la HER.

Este Co reconstruido es altamente activo, funciona en condiciones ácidas y puede mantener aproximadamente 76 W durante más de 300 horas. Nos estamos acercando a un método asequible para producir combustible. El costo calculado de usar este método es de $2.17 por kg de H₂₄ , solo 17 centavos por encima del objetivo de producción actual establecido para 2026 .

Heng Liu, Instituto Avanzado de Investigación de Materiales

Los investigadores descubrieron que el cátodo de fosfuro de cobalto modificado con flúor mostró una actividad catalítica mejorada tras la reconstrucción de la superficie. El estudio validó estos hallazgos tanto en un laboratorio a pequeña escala de tres electrodos como en electrolizadores PEM de relevancia comercial. Estos resultados representan un avance en la investigación de catalizadores para la reacción de evolución de hidrógeno y podrían servir de base para el diseño de cátodos rentables basados ​​en metales no preciosos.

Siempre pensamos en el objetivo final: que la investigación se integre en la vida cotidiana. Este avance nos acerca un paso más al diseño de opciones más realistas para la aplicación comercial de PEM.

Heng Liu, Instituto Avanzado de Investigación de Materiales

Referencia de la revista:

Wu, R., et al . (2025) La reconstrucción de la superficie activa un cátodo de metal no noble para un electrolizador de agua con membrana de intercam