Estructuras laminares bidimensionales a base de níquel soportadas sobre acero inoxidable como materiales de electrodo para catalizar la reacción de evolución de oxígeno

Abstract

La energía es esencial para enfrentar los grandes desafíos y oportunidades mundiales para el desarrollo sostenible, así, existe gran interés por desarrollar materiales de ánodo basados en los metales de transición Ni, Co y Fe, para catalizar la reacción de evolución de oxígeno (OER). Lamentablemente, la mayoría de los métodos de síntesis producen una adherencia pobre al sustrato, además que, muchos de ellos no son evaluados durante el tiempo suficiente evitando saber si se desactivan durante la OER. Con el propósito de desarrollar electrocatalizadores que puedan ser usados en dispositivos de electrólisis alcalina de agua, se sintetizaron por el método sol-gel dip-coating películas de hidróxidos dobles laminares (LDH) [Mg0.38Ni0.37Al0.25(OH)2]An-0.25·mH2O (MgNiAl), [Co0.48Ni0.27Al0.25(OH)2]An-0.25·mH2O (CoNiAl), [Ni0.61Co0.14Al0.25(OH)2]An-0.25·mH2O (NiCoAl) y [Ni0.72Fe0.12Al0.13(OH)2]An-0.25·mH2O (NiFeAl) soportados sobre acero inoxidable 304. Así, se obtuvieron películas finas, libres de grietas y adherentes. La comparación del comportamiento electroquímico de estas películas con otras soportadas sobre titanio, y con polvos (geles) de estos LDH inmovilizados en un electrodo de grafito impregnado con parafina mostró que, las películas soportados sobre acero tuvieron una mayor actividad catalítica en 1M KOH. Una caracterización superficial por XPS mostró que las películas fueron contaminadas con Fe proveniente de la capa pasiva del acero. Esto llevó a la formación de nanopartículas de α-FeOOH y Ni(OH)2 en MgNiAl, NiCoAl y NiFeAl, mientras que nanopartículas de α-Fe2O3 fueron formadas en las fronteras de grano de CoNiAl. Estas heteroestructuras aumentaron su actividad catalítica, disminuyendo el sobrepotencial para realizar la OER y aumentando la velocidad de transferencia de carga, verificada por medidas de polarización, cronoamperometría y espectroscopía de impedancia electroquímica. Los electrocatalizadores NiCoAl y CoNiAl mostraron ser química y mecánicamente estables durante su operación en la OER durante 30 h, además de presentar la mayor actividad catalítica de los materiales de electrodo sintetizados; por tanto, podrían ser potencialmente usados en electrolizadores alcalinos.