L’electròlisi de l’aigua juga un paper fonamental en la conversió d’energia renovable provinent de fonts com el vent i el sol en hidrogen. Un dels principals reptes d’aquest procés és la reacció d’evolució de l’oxigen (OER), que requereix catalitzadors anòdics altament efectius. Tot i que els materials basats en iridi són el principal referent en els electrolitzadors d’aigua de membrana d'intercanvi de protons (PEM-WE), l’escassetat d’aquest element pot comprometre la seva escalabilitat a llarg termini.

Entre els candidats més prometedors hi ha els òxids d’iridi hidratats amorfsi (am-hydr-IrOx), però el seu estudi amb les tècniques habituals, com la difracció de raigs X, és un desafiament a causa de la seva manca d'ordre atòmic de llarg abast. A més, la majoria dels models estructurals utilitzats per explicar els mecanismes (electro)químics limitants dels am-hydr-IrOx es basen en fases cristal·lines ordenades, fent-los inadequats per comprendre materials amorfs.

Un nou estudi, publicat a Energy & Environmental Science, combina tècniques de caracterització basades en llum de sincrotró amb càlculs de teoria funcional de la densitat (DFT) per desenvolupar un model integral per als òxids d’iridi hidratats amorfs. Investigadors del Helmholtz Zentrum Berlin i del Fritz-Haber-Institut a Alemanya, i del Sincrotró ALBA, han col·laborat en l’anàlisi de pel·lícules fines d’òxid d’iridi hidratat (HIROFs), i han desmostrat que la dissolució de l’iridi pot ocórrer espontàniament, està impulsada termodinàmicament, i no és necessàriament una conseqüència directa de la reacció d'evolució d'oxigen (OER).

L’equip va preparar les pel·lícules fines HIROF mitjançant l’oxidació electroquímica controlada de substrats metàl·lics d’iridi utilitzant voltametria cíclica. Aquest procés va donar lloc a un am-hydr-IrOx altament porós i hidratat, amb una estructura tridimensional desordenada amb nombroses vores i defectes interns. Com es revela a l’estudi, aquestes característiques afavoreixen l’activitat OER, però també contribueixen a la inestabilitat del material.

La caracterització ex situ mitjançant criomicroscòpia electrònica de transmissió (cryo-TEM) va confirmar la naturalesa amorfa i porosa de les pel·lícules. L’espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) va revelar la presència de grups hidroxils i un augment progressiu de l’estat d’oxidació de l’iridi a mesura que augmentava el gruix de la pel·lícula. Les mesures electroquímiques van permetre definir tres règims de potencial diferenciats —pre-redox, redox i OER— que marquen transicions importants en el comportament estructural i electrònic del catalitzador.

Per entendre les transformacions a escala atòmica, els investigadors van aplicar tècniques espectroscòpiques in situ i operando a dues línies de llum de sincrotró: KMC-3 a BESSY II (Alemanya) i NOTOS a ALBA. Amb mesures in situ d’estructura d’absorció de raigs X prop de la vora (XANES) i d’estructura fina d’absorció de raigs X estesa (EXAFS) a la vora L₃ de l’iridi van monitorar canvis en l’estat d’oxidació de l’iridi i en les longituds dels enllaços Ir–O. Els resultats van mostrar una oxidació progressiva i distorsions estructurals a mesura que augmentava el potencial aplicat. L’espectroscòpia de voltametria d’absorció de raigs X a energia fixa (FEXRAV) operando va establir un vincle directe entre les transicions electròniques i l’activitat electroquímica. L’espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X d’alta energia a pressió propera a l’ambient (NAP-HAXPES) va proporcionar informació complementària i específica de la superfície sobre els estats d’oxidació en condicions hidratades.

Per explicar les seves observacions, l’equip va desenvolupar un nou model a escala atòmica — una estructura de nanocapes amb terminació d’hidrogen — que s’allunya dels enfocaments  anteriors basats en fases cristal·lines. Aquest model representa amb més precisió la fase amorfa i, quan es fa servir en simulacions DFT, revela diversos llocs reactius que afecten de manera diferenciada l’activitat OER i la dissolució de l’iridi.

La investigació estableix un model basat en un doble mecanisme: per una banda la desprotonació i l’oxidació impulsen la via OER, mentre que un procés independent condueix a la pèrdua espontània d’iridi per formació de defectes. Ambdós mecanismes coexisteixen i evolucionen amb els canvis de potencial aplicat. Quan es comparen amb les mesures operando EXAFS, les estructures simulades mostren una forta concordança, validant el model i identificant els possibles llocs actius i les vies de degradació.

Aquest estudi revela dades clau sobre la dinàmica estructural i el comportament electrocatalític dels òxids d’iridi hidratats amorfs. En comprendre millor l’activitat i la degradació, la recerca ofereix un nou marc per al disseny de catalitzadors millorats.

La recerca futura pot aprofitar aquest enfocament de doble mecanisme per estudiar altres materials amorfs basats en iridi com a ànodes, o bé explorar composicions alternatives. L’objectiu continua sent mantenir una alta activitat catalítica alhora que es redueixi la pèrdua de metall, donant suport a tecnologies més escalables i sostenibles per a la producció d’hidrogen verd.

Les característiques electròniques i estructurals dels òxids d'iridi hidratats amorfs (am-hydr-IrOx), a dalt a l'esquerra, poden descriure's utilitzant el model atòmic de nanocapes, a baix a la dreta. A la dreta, es mostra una comparació entre la longitud de l'enllaç Anar–O obtinguda experimentalment a partir de EXAFS en la vora L₃ de l'iridi, mesura en NOTOS-ALBA, i les longituds d'enllaç corresponents a les estructures derivades del model de nanocapes després de la generació espontània i termodinámicamente favorable de defectes d'iridi, predita mitjançant càlculs de DFT.