Un equipo liderado por la Universidad de Jyväskylä, en Finlandia, identificó el mecanismo que permite producir hidrógeno en un electrodo semiconductor de TiO₂. El trabajo, apoyado en simulaciones atómicas y experimentos electroquímicos, abre una vía para desarrollar materiales más baratos que los catalizadores basados en platino.
Un avance en electrodos semiconductores para hidrógeno
De acuerdo con la información difundida por la universidad y el estudio publicado en Nature Communications, la investigación analizó cómo los materiales semiconductores permiten la producción de hidrógeno verde mediante (foto)electroquímica. El trabajo se centró en la reacción de evolución de hidrógeno sobre un electrodo semiconductor prototípico de dióxido de titanio.
La profesora Karoliina Honkala y el profesor titular e investigador de la Academia Marko Melander, quienes dirigieron la investigación, señalaron que los semiconductores pueden ofrecer una alternativa a los catalizadores tradicionales basados en metales nobles. “A diferencia de los catalizadores tradicionales a base de metales, los materiales semiconductores pueden utilizar elementos más comunes y menos costosos. Sin embargo, el desarrollo de electrodos semiconductores se ha visto ralentizado por el hecho de que sus propiedades electroquímicas y catalíticas no se comprenden bien”, explicaron.
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Polarones y potencial del electrodo
El estudio aplicó un enfoque de teoría funcional de la densidad con potencial interno constante, desarrollado por el equipo hace dos años, para incorporar el potencial del electrodo en la simulación de la electroquímica de semiconductores. “Desarrollamos este método hace dos años y abre nuevas posibilidades para el modelado de electrodos semiconductores”, indicó Melander.
Según los resultados, al modificar el potencial del electrodo se forman centros de carga locales llamados polarones en la superficie del TiO₂, los que activan la reacción de evolución de hidrógeno. “En el presente estudio, lo aplicamos al estudio de la reacción de evolución de hidrógeno en un electrodo semiconductor de TiO₂. Nuestras simulaciones mostraron cómo y por qué la modificación del potencial del electrodo permite la producción de hidrógeno en el TiO₂. Mediante los cálculos realizados en colaboración con nuestros socios, predijimos que se forman centros de carga locales, denominados polarones, en la superficie del TiO₂ y que estos catalizan la evolución de hidrógeno”, afirmó Melander.
La investigación también indicó que esta formación de polarones controlada por el potencial del electrodo constituye un fenómeno previamente desconocido en electroquímica y que no aparece en electrodos metálicos convencionales.
- El estudio combinó simulaciones atómicas con experimentos (espectro)electroquímicos precisos.
- Los investigadores plantean que este fenómeno podría utilizarse en el diseño de catalizadores y en el desarrollo de nuevos materiales para la producción de hidrógeno.
