Investigadores del Instituto IMDEA Materiales han demostrado una nueva forma de mejorar el rendimiento de materiales catalíticos asequibles utilizados para producir hidrógeno verde.

En un estudio reciente, publicado en ACS Catalysis, películas delgadas intermetálicas fabricadas a partir de tres aleaciones de bajo coste: plata e indio (Ag₃In), níquel y hierro (Ni₃Fe) y níquel y estaño (Ni₃Sn), mostraron ganancias significativas en eficiencia catalítica para la reacción de evolución de hidrógeno (HER) cuando fueron sometidas a deformaciones elásticas controladas.

Los resultados apuntan a la ingeniería de deformación elástica como una vía prometedora para desarrollar catalizadores asequibles que puedan sustituir a los metales del grupo del platino en la producción industrial de hidrógeno.

Liberando el hidrógeno verde: más allá del platino de alto coste

El hidrógeno generado mediante electrólisis alimentada con energías renovables se considera actualmente fundamental para la transición global hacia una energía libre de carbono.

Sin embargo, su eficiencia depende en gran medida de los catalizadores que aceleran la ruptura de las moléculas de agua: la electrólisis del agua. Este proceso produce hidrógeno casi al 100% puro y puede escalarse industrialmente.

Para facilitar la HER requerida como parte de este proceso, el platino sigue siendo el material de referencia, valorado por su actividad y durabilidad. No obstante, su elevado coste y suministro limitado representan importantes barreras para su despliegue a gran escala.

“En consecuencia, existe un fuerte impulso por descubrir alternativas asequibles que puedan rivalizar con los metales del grupo del platino en rendimiento catalítico”, subraya el estudio.

Aprovechar la deformación de los materiales para impulsar el rendimiento catalítico

En lugar de intentar desarrollar materiales nuevos con características equivalentes o superiores al platino, el equipo de IMDEA Materiales se propuso demostrar cómo las propiedades catalíticas de tres aleaciones intermetálicas ya existentes: Ag₃In, Ni₃Fe y Ni₃Sn, podrían mejorarse mediante ingeniería de deformación elástica.

Estos materiales fueron seleccionados debido a su disponibilidad y precio, la ausencia de elementos tóxicos o peligrosos y su estabilidad química en entornos alcalinos.

El equipo investigó si la introducción de deformaciones elásticas, ya fueran de tracción (estiramiento) o compresión (aplastamiento), podía alterar la forma en que las superficies catalíticas se unen a los átomos de hidrógeno, un paso clave en el proceso HER.

De forma prometedora, los resultados demostraron que deformaciones elásticas del orden del 1% dieron lugar a cambios significativos en la actividad superficial que pueden aprovecharse para ajustar el rendimiento catalítico en la HER.

Según la publicación, “las deformaciones de tracción mejoraron la actividad catalítica (y redujeron la pendiente de Tafel y la resistencia de transferencia de carga) en Ag₃In, mientras que las deformaciones de compresión tienen efectos similares en Ni₃Fe, Ni₃Sn y Pt”.

En un caso destacado, una muestra de la aleación Ni₃Sn estirada un 1,26% alcanzó el 71% de la eficiencia del platino.

Una hoja de ruta para catalizadores de hidrógeno optimizados por deformación

El estudio, realizado por los investigadores actuales o antiguos de IMDEA Materiales: Jorge Redondo, Dr. Jayachandran Subbian, Dr. Miguel Monclús, el Dr. Valentín Vassilev Galindo, el Prof. Jon Molina y el Prof. Javier LLorca, proporciona una de las primeras demostraciones aisladas y cuantificadas experimentalmente de cómo la deformación elástica, sin defectos ni fisuras, puede ajustar las propiedades catalíticas de un material.

“Este trabajo se basa en nuestros estudios previos realizados por IMDEA Materiales y la Universidad Politécnica de Madrid, que confirmaron que las deformaciones elásticas impuestas por aleaciones con memoria de forma pueden mejorar la eficiencia catalítica en películas delgadas de oro”, explica Redondo, uno de los autores de ambos artículos.

“En esta ocasión, el grupo fue un paso más allá para desarrollar candidatos intermetálicos sólidos capaces de sustituir a los catalizadores de platino”, añade.

El trabajo ofrece una plataforma que puede acelerar el descubrimiento de nuevos catalizadores para la producción de hidrógeno. Esto es especialmente relevante a medida que los investigadores continúan explorando metales no preciosos y compuestos intermetálicos sugeridos por estudios de cribado mediante aprendizaje automático.