El potencial del hidrógeno como fuente de energía es esencial para la transición global hacia la energía verde. Sin embargo, los métodos actuales de producción de hidrógeno siguen siendo extremadamente intensivos en energía y producen importantes emisiones de dióxido de carbono. La electrólisis del agua, que divide el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando energía renovable, ofrece una solución prometedora. Para mejorar este proceso, es crucial desarrollar electrocatalizadores de bajo coste y alto rendimiento. Estos catalizadores aceleran las reacciones y reducen la energía de activación necesaria, sobre todo en las condiciones alcalinas habituales en la industria. La investigación actual se centra en la creación de catalizadores eficientes con sitios activos duales utilizando materiales abundantes y baratos como calcogenuros, fosfuros y carburos metálicos. A pesar de los avances, sigue siendo un desafío comprender con exactitud los mecanismos de reacción y los sitios activos en condiciones alcalinas.

En un estudio reciente publicado en Nature Communications, los investigadores revelan que los electrodos de sulfuro de níquel (NiS) se transforman durante su uso en condiciones alcalinas, formando sitios duales altamente activos en la interfaz Ni3S2/NiO. Esta reestructuración potencia enormemente la actividad catalítica, mejorando notablemente su eficacia en la reacción de evolución de hidrógeno (HER). En el trabajo participaron investigadores de las Universidades de Xiamen y Fudan (China), IMDEA Energía (España) junto con científicos del Sincrotrón ALBA, la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania) y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) (República de Corea).

Para llevar a cabo el estudio, los investigadores cultivaron muestras de NiS en electrodos de papel de carbono y utilizaron diversas técnicas para estudiar el proceso HER, desde microscopía electrónica para obtener imágenes de las partículas de NiS; difracción y espectroscopia de rayos X para el análisis de las muestras de NiS antes y después de las mediciones HER, y una combinación de técnicas electroquímicas y de espectroscopia de fotoemisión, incluida la espectroscopia Raman in situ, para estudiar en detalle los cambios de los catalizadores durante el proceso HER.

"En particular, el uso de la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) operando en la línea de luz CLAESS de ALBA proporcionó información en tiempo real sobre los cambios estructurales y químicos en el catalizador, lo que permitió a los investigadores identificar las fases catalíticas activas y explicar la mejora del rendimiento HER", afirma Laura Simonelli, científica principal de la línea de luz CLAESS.

Este estudio ha sido el primero en observar la transición del NiS a una fase mixta de Ni₃S₂ y NiO durante el funcionamiento. Estas interfaces Ni3S2/NiO, recién detectadas, crean sitios duales que aceleran la división del agua y reducen el sobrepotencial.

El estudio detallado e in situ de los electrodos de NiS ha proporcionado información valiosa para su optimización para la producción de hidrógeno en ambientes alcalinos. Así pues, la transición altamente dinámica de los calcogenuros metálicos, combinada con un cuidadoso control de las condiciones de trabajo, ofrece una vía única para desarrollar nuevas especies catalíticas de alto rendimiento que, en última instancia, impulsen la producción ecológica de hidrógeno y respalden la transición hacia energías limpias.

XAS operando de borde Ni K para el catalizador NiS en función de los voltajes aplicados.

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