La electrólisis del agua juega un papel fundamental en la conversión de energía renovable proveniente de fuentes como el viento y el sol en hidrógeno. Uno de los principales retos de este proceso es la reacción de evolución del oxígeno (OER), que requiere catalizadores anódicos altamente efectivos. A pesar de que los materiales basados en iridio son el principal referente en los electrolizadores de agua de membrana de intercambio de protones (PEM-WE), la escasez de este elemento puede comprometer su escalabilidad a largo plazo.

Entre los candidatos más prometedores se encuentran los óxidos de iridio hidratados amorfos (am-hydr-IrOx), aunque su estudio con las técnicas más habituales, como la difracción de rayos X, resulta difícil debido a su falta de orden atómico de largo alcance. Además, la mayoría de los modelos estructurales utilizados para explicar los mecanismos (electro)químicos limitantes de los am-hydr-IrOx se basan en fases cristalinas ordenadas, por lo que no son adecuados para materiales amorfos.

Un nuevo trabajo, publicado en Energy & Environmental Science, combina técnicas de caracterización basadas en luz de sincrotrón con cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT) para desarrollar un modelo integral para los óxidos de iridio hidratados amorfos. Investigadores del Helmholtz Zentrum Berlin y del Fritz-Haber-Institut en Alemania, y del Sincrotrón ALBA, han colaborado en el análisis de películas finas de óxido de iridio hidratado (HIROFs), y han demostrado que la disolución del iridio puede ocurrir espontáneamente, está impulsada termodinámicamente, y no es necesariamente una consecuencia directa de la reacción de evolución de oxígeno (OER).

El equipo preparó las películas delgadas HIROF mediante la oxidación electroquímica controlada de sustratos metálicos de iridio utilizando voltametría cíclica. Este proceso dio lugar a un am-hydr-IrOx altamente poroso e hidratado, con una estructura tridimensional desordenada que presenta numerosos bordes y defectos internos. Tal como revela el estudio, estas características favorecen la actividad OER, pero también contribuyen a la inestabilidad del material.

La caracterización ex situ mediante criomicroscopía electrónica de transmisión (cryo-TEM) confirmó la naturaleza amorfa y porosa de las películas. La espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) reveló la presencia de grupos hidroxilo y un aumento progresivo del estado de oxidación del iridio a medida que aumentaba el grosor de la película. Las mediciones electroquímicas permitieron definir tres regímenes de potencial diferenciados —pre-redox, redox y OER— que marcan transiciones importantes en el comportamiento estructural y electrónico del catalizador.

Para comprender las transformaciones a escala atómica, los investigadores aplicaron técnicas espectroscópicas in situ y operando en dos líneas de luz de sincrotrón: KMC-3 en BESSY II (Alemania) y NOTOS en ALBA. Con mediciones in situ de estructura de absorción de rayos X cerca del borde (XANES) y de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) en el borde L₃ del iridio monitorizaron cambios en el estado de oxidación del iridio y en las longitudes de los enlaces Ir–O. Los resultados mostraron una oxidación progresiva y distorsiones estructurales a medida que aumentaba el potencial aplicado. La espectroscopía de voltametría de absorción de rayos X a energía fija (FEXRAV) operando estableció una relación directa entre las transiciones electrónicas y la actividad electroquímica. La espectroscopía fotoelectrónica de rayos X de alta energía a presión casi ambiental (NAP-HAXPES) proporcionó información complementaria y específica de la superficie sobre los estados de oxidación en condiciones hidratadas.

Para explicar sus observaciones, el equipo desarrolló un nuevo modelo a escala atómica — una estructura de nanocapa con terminación de hidrógeno — que se aleja de los enfoques anteriores basados en fases cristalinas. Este modelo representa con mayor precisión la fase amorfa y, en simulaciones DFT, revela diversos sitios reactivos que afectan de forma diferenciada a la actividad OER y la disolución del iridio.

La investigación establece un modelo de doble mecanismo: por un lado, la desprotonación y la oxidación impulsan la vía OER, mientras que un proceso independiente conduce a la pérdida espontánea de iridio a través de la formación de defectos. Ambos mecanismos coexisten y evolucionan a medida que cambia el potencial aplicado. Al compararlas con las mediciones operando EXAFS, las estructuras simuladas muestran una gran concordancia, lo que valida el modelo e identifica los posibles sitios activos y las rutas de degradación.

Este estudio revela datos clave sobre la dinámica estructural y el comportamiento electrocatalítico de los óxidos de iridio hidratados amorfos. A partir de una mejor comprensión de su actividad y degradación, la investigación ofrece un nuevo marco para el diseño de catalizadores mejorados.

Las futuras investigaciones pueden aprovechar este enfoque de doble mecanismo para estudiar otros materiales amorfos basados en iridio, o explorar composiciones alternativas. El objetivo sigue siendo mantener una alta actividad catalítica mientras se reduce la pérdida de metal, apoyando tecnologías más escalables y sostenibles para la producción de hidrógeno verde.

Las características electrónicas y estructurales de los óxidos de iridio hidratados (am-hydr-IrOx), arriba a la izquierda, pueden describirse utilizando el modelo atómico de nanocapas, abajo a la derecha. A la derecha, se muestra una comparación entre la longitud del enlace Ir–O obtenida experimentalmente a partir de EXAFS en el borde L₃ del iridio, medida en NOTOS-ALBA, y las longitudes de enlace correspondientes a las estructuras derivadas del modelo de nanocapas tras la generación espontánea y termodinámicamente favorable de defectos de iridio, predicha mediante cálculos de DFT.