El potencial de l'hidrogen com a font d'energia és essencial per a la transició global cap a l'energia verda. No obstant això, els mètodes actuals de producció d'hidrogen continuen sent extremadament intensius en energia i produeixen importants emissions de diòxid de carboni. L'electròlisi de l'aigua, que divideix l'aigua en hidrogen i oxigen utilitzant energia renovable, ofereix una solució prometedora. Per a millorar aquest procés, és crucial desenvolupar electrocatalizadors de baix cost i alt rendiment. Aquests catalitzadors acceleren les reaccions i redueixen l'energia d'activació necessària, sobretot en les condicions alcalines habituals en la indústria. La recerca actual se centra en la creació de catalitzadors eficients amb llocs actius duals utilitzant materials abundants i barats com calcogenurs, fosfurs i carburs metàl·lics. Malgrat els avenços, continua sent un desafiament comprendre amb exactitud els mecanismes de reacció i els llocs actius en condicions alcalines.

En un estudi recent publicat a Nature Communications, els investigadors revelen que els elèctrodes de sulfur de níquel (NiS) es transformen durant el seu ús en condicions alcalines, formant llocs duals altament actius en la interfície Ni3S2/NiO. Aquesta reestructuració potencia enormement l'activitat catalítica, millorant notablement la seva eficàcia en la reacció d'evolució d'hidrogen (HER). En el treball van participar investigadors de les Universitats de Xiamen i Fudan (la Xina), IMDEA Energia (Espanya) juntament amb científics del Sincrotró ALBA, la Universitat Tècnica de Darmstadt (Alemanya) i l'Institut Nacional de Ciència i Tecnologia de Ulsan (UNIST) (República de Corea).

Per a dur a terme l'estudi, els investigadors van conrear mostres de NiS en elèctrodes de paper de carboni i van utilitzar diverses tècniques per a estudiar el procés HER, des de microscòpia electrònica per a obtenir imatges de les partícules de NiS; difracció i espectroscòpia de raigs X per a l'anàlisi de les mostres de NiS abans i després de les mesures HER, i una combinació de tècniques electroquímiques i d'espectroscòpia de fotoemissió, inclosa l'espectroscòpia Raman in situ, per a estudiar detalladament els canvis dels catalitzadors durant el procés HER.

"En particular, l'ús de l'espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS) operando en la línia de llum CLAESS d'ALBA va proporcionar informació en temps real sobre els canvis estructurals i químics en el catalitzador, la qual cosa va permetre als investigadors identificar les fases catalítiques actives i explicar la millora del rendiment HER", afirma Laura Simonelli, científica principal de la línia de llum CLAESS.

Aquest estudi ha estat el primer a observar la transició del NiS a una fase mixta de Ni₃S₂ i NiO durant el funcionament. Aquestes interfícies Ni3S2/NiO, tot just detectades, creen llocs duals que acceleren la divisió de l'aigua i redueixen el sobrepotencial.

L'estudi detallat i in situ dels elèctrodes de NiS ha proporcionat informació valuosa per a la seva optimització per a la producció d'hidrogen en ambients alcalins. Així doncs, la transició altament dinàmica dels calcogenurs metàl·lics, combinada amb un acurat control de les condicions de treball, ofereix una via única per a desenvolupar noves espècies catalítiques d'alt rendiment que, en última instància, impulsin la producció ecològica d'hidrogen i recolzin la transició cap a energies netes.

XAS operando de vora Ni K per al catalitzador NiS en funció dels voltatges aplicats.

Referència: Dynamic restructuring of nickel sulfides for electrocatalytic hydrogen evolution reaction.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49015-4