Las REA son importantes en muchos procesos de energía limpia, como la transformación de dióxido de carbono en combustibles líquidos utilizables y la generación de hidrógeno verde a partir de la electrólisis del agua. Ambos procesos serán cruciales en un futuro sin combustibles fósiles. Por lo tanto, comprender plenamente los REA es un importante foco de investigación.
Los procesos catalíticos pueden ser complejos con varias especies intermedias involucradas en la transición del material de partida al producto deseado. Las técnicas de operando permiten investigar estos intermedios mediante espectroscopia durante la reacción, proporcionando una ventana a lo que realmente está sucediendo.
Utilizando un electrodo con una superficie de óxido de iridio, los investigadores investigaron la oxidación de moléculas de agua en soluciones con diferentes valores de pH.
«La interacción entre la superficie del electrodo y los intermedios oxigenados es fundamental para la eficiencia de REA, por lo que la optimización del material del catalizador generalmente ha sido el foco», explica la autora principal Reshma R. Rao del Imperial College de Londres. «Sin embargo, las observaciones hasta la fecha han dejado preguntas sin respuesta, por lo que analizamos más de cerca el lado de la solución de la interfaz utilizando espectroscopia operativa UV-Vis, espectroscopia de absorción de rayos X y espectroscopia infrarroja de superficie mejorada».
Para obtener una reacción eficiente, la unión de los intermedios de reacción al electrodo debe ser correcta para permitir que los intermedios interactúen con el electrodo, pero no tan fuerte como para que se peguen al electrodo y no puedan reaccionar. Los investigadores descubrieron que la unión estaba controlada por interacciones de largo alcance entre los intermediarios en toda la solución y esto dependía del pH.
En condiciones alcalinas, el agua cerca del electrodo influyó en las interacciones de largo alcance entre especies oxigenadas, lo que afectó su unión a la superficie. Por tanto, aunque los intermedios se unen más fuertemente a un pH más alto, las interacciones facilitadas por el agua interfacial desestabilizan las especies oxigenadas y permiten que se produzca la reacción.
«El uso de espectroscopia operativa y técnicas complementarias para obtener información directa sobre las especies involucradas nos ha permitido ampliar nuestra comprensión del rendimiento del catalizador más allá de la unión de electrodos», dice el autor principal Yu Katayama. «Creemos que esa información será clave para optimizar la cinética de REA».
Los hallazgos contribuirán a aumentar la eficiencia de la oxidación del agua para producir hidrógeno verde. Además, combinar la espectroscopia operativa con técnicas complementarias puede resultar útil para comprender la catálisis de muchos otros procesos.
1 Esquema de la interfaz electroquímica bajo un electrolito ácido HClO4 0,1 M (A) y un electrolito alcalino KOH 0,1 M (B) durante la oxidación del agua a ~ 1,5 VRHE.
Crédito: Adaptado del Journal of the American Chemical Society, 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c12011
Fig. 2 Energética de los estados activos y su influencia en la cinética intrínseca de oxidación del agua. Actividad relativa por estado activo a un potencial de 1,48 VRHE y la posición correspondiente de IrOx en condiciones alcalinas y óxidos de iridio y rutilo amorfos previamente informados y catalizadores moleculares de Ir en condiciones ácidas (HClO4 0,1 M)
Crédito: Adaptado del Journal of the American Chemical Society, 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c12011
El estudio, «Papel del pH del electrolito en la oxidación del agua a óxidos de iridio», se publicó en el Journal of the American Chemical Society del DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c12011.
