Utilizando la deposición de capas atómicas (ALD, por sus siglas en inglés), desarrollaron un catalizador de sulfuro de indio (In₂S₃) de alta eficiencia para la electroreducción de CO₂ a formiato. Publicado en Advanced Energy Materials, este estudio abre la puerta a aplicaciones industriales a altas densidades de corriente.

La reducción electroquímica del dióxido de carbono (eCO₂R) es un campo emergente que conecta las energías renovables con la captura de carbono, ofreciendo una vía para transformar el CO₂ en productos químicos y combustibles de valor añadido. Uno de los productos más prometedores es el formiato, una molécula versátil con aplicaciones industriales que van desde productos químicos y farmacéuticos hasta almacenamiento de hidrógeno y pilas de combustible. En este contexto, lograr alta selectividad y eficiencia en la eCO₂R bajo condiciones relevantes para la industria es cada vez más importante.

Pese a la extensa investigación en este campo, aún resulta difícil comprender en profundidad las propiedades electroquímicas y el comportamiento de la eCO₂R debido a la complejidad estructural de sus capas.

En este estudio, evaluaron el rendimiento de la eCO₂R modificando cuidadosamente la humectabilidad superficial de películas delgadas de sulfuro de indio (In₂S₃). Empleando dos tipos de deposición por capas atómicas, térmica (T-ALD) y mejorada por plasma (PE-ALD), fabricaron capas uniformes de In₂S₃ sobre electrodos de difusión de gases (GDEs). Posteriormente, utilizaron luz de sincrotrón para caracterizar las estructuras de las películas, revelando que el control preciso de la hidrofobicidad es un parámetro clave para una producción eficiente de formiato.

Para la caracterización de la composición, morfología e hidrofobicidad de las películas delgadas de In₂S₃, el grupo de investigación necesitó combinar diferentes técnicas de análisis, incluyendo la espectroscopía de fotoelectrones por rayos X (XPS), la microscopía electrónica de barrido (SEM), la fluorescencia de rayos X (XRF) y la medición de ángulos de contacto. La técnica de dispersión de rayos X de gran ángulo de incidencia rasante (GIWAXS) en la línea de luz NCD-SWEET del Sincrotrón ALBA permitió caracterizar la estructura cristalográfica de las películas, proporcionando información detallada sobre las diferencias surgidas entre los dos métodos ALD.

El equipo observó que, mientras la T-ALD mantenía la hidrofobicidad del electrodo de difusión de gases, la PE-ALD tendía a hacerlo más hidrófilo, debido a diferencias en la cristalinidad y la morfología superficial. Esta variación en la humectabilidad tuvo un impacto significativo en el rendimiento del catalizador. Las películas delgadas hidrofóbicas de T-In₂S₃ facilitaron un mejor acceso del CO₂, lo que se tradujo en mayores tasas de reacción y una menor evolución de hidrógeno. En concreto, los catalizadores T-In₂S₃ alcanzaron una eficiencia faradaica del 93 % para la producción de formiato a una densidad de corriente de 1 A cm⁻², un valor considerado clave para su aplicación industrial. Además, los investigadores comprobaron que, cuanto mayor era la hidrofobicidad de las películas depositadas por ALD térmico, más eficiente resultaba la electrosíntesis de formiato, lo que pone de manifiesto el papel crucial de esta propiedad interfacial en el transporte eficaz del CO₂.

En conclusión, este estudio demuestra cómo la ingeniería interfacial mediante técnicas de deposición por capas atómicas puede mejorar el rendimiento de los electrocatalizadores. Al establecer la relación entre la hidrofobicidad y la mejora de la eficiencia en la conversión de CO₂, estos hallazgos proporcionan una base fundamental para el desarrollo de catalizadores industriales de nueva generación y procesos integrados para la producción de formiato.

Análisis GIWAXS obtenidos en la línea de luz NCD-SWEET. Figura a) y b) patrones GIWAXS de una película de In₂S₃ (22 nm) depositada sobre un sustrato de SiO₂/Si a una temperatura de 180 °C, mediante el proceso PE-ALD (a) y el proceso ALD térmico (b). c): patrón de difracción de rayos X (XRD) de las películas de In₂S₃ depositadas por los procesos PE-ALD y T-ALD a 180 °C, obtenido a partir de la integración azimutal de los patrones GIWAXS bidimensionales (2θ con radiación Cu Kα) y los patrones de referencia del ICSD.