Estudio espectro-electroquímico de catalizadores tipo espuma decorados con nanoestructuras de Ni y NiMo aplicados en la producción de hidrógeno verde - Bazán Aguilar, Antony Yamir Joseph (2024)
El almacenamiento de energía como un vector químico de alto impacto (e.g, H2 verde, CH3OH, NH3, H2O2, entre otros) representa una de las principales estrategias de descarbonización industrial en la actualidad. Específicamente, el H2 verde obtenido a partir de la electrólisis alcalina del agua (EAA) simboliza una de las principales rutas capaz de sustituir a los combustibles fósiles. Sin embargo, su desarrollo es limitado por los elevados costos de producción debido a la inclusión de metales nobles, por ej., Pt, Pd, Ru e Ir. Por ende, el desarrollo de sistemas catalíticos basados en metales de transición no nobles, tales como, el Ni, Fe, Mo, Cu y/o Co es prioritario para impulsar el escalamiento de las tecnologías a base de H2. En este sentido, la presente investigación doctoral desarrolla el diseño y estudio de matrices electroactivas tipo-espuma decoradas con nanoestructuras (NEs) de NiO(OH)x o NixMoy para promover la reacción de evolución de hidrógeno (HER). La investigación se divide en cinco etapas: (i) tratamiento por “decapado anhidro” de las matrices de tipo-espuma de Ni (NiF) en su activación superficial (NÍFA), (ii) análisis fisicoquímico y evaluación electroquímica ex-situ e in-situ de los electrodos NiF y NÍFA en la HER; (iii) decorado de los catalizadores NÍFA con NEs de NiO(OH)x o NixMoy; (iv) el estudio ex-situ e in-situ de los electrodos obtenidos en la HER mediante el uso de la espectroscopía Raman in-situ y la espectrometría de masas diferencial electroquímica (DEMS), y (v) prueba de estabilidad electroquímica de los sistemas mencionados. Entre los principales alcances se reporta que el “decapado anhidro” fragmenta la superficie de las matrices NiF, reduce la capa externa de a-Ni (OH)2, expone la capa interna metálica de Ni/NiO, y reduce el sobrepotencial de 45,7 a 6,2 mV en la HER. Por su parte, los electrodos NiO(OH)x/NiFA y NixMoy/NiFA registran partículas de 400 nm y 70 nm soportadas en la superficie NiFA. Particularmente, los electrodos NixMoy/NiFA revelan un ligero desplazamiento en los picos de difracción de Ni asociados a la expansión de la red cristalina de Ni por la inserción de átomos de Mo (agente dopante). Este efecto eleva la densidad de sitios activos, reduce el sobrepotencial de HER (~0,1 mV), promueve una electrocinética de dos etapas (Volmer-Heyrovsky) determinada por la electro-desorción de los hidronios anclados [M-H], y eleva la estabilidad electroquímica del NiFA en la HER. Con lo cual, los NixMoy/NiFA demuestran un carácter catalítico competitivo frente a los catalizadores comercial de Pt/C.