Study of the interaction of Cu, Fe and Ni nanostructures supported on customized Cu foams as electrocatalysts for the Hydrogen Evolution Reaction (HER)

Actualmente, 193 países más la Unión Europea [1] emprenden acciones para mitigar los impactos del calentamiento global causado por las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), principalmente por el uso de combustibles fósiles. El aumento de las emisiones de GEI, destaca al dióxido de carbono (CO2) por su abundancia, aumentó la temperatura de la tierra de forma preocupante. Acuerdos internacionales como el Protocolo de Kioto y el Acuerdo de París tienen el objetivo evitar el incremento de temperatura mayor a 1,5 °C en promedio comparado con la era preindustrial, para controlar los efectos negativos sobre la vida en la Tierra [2].
En este contexto, debido a su elevada densidad energética y bajas emisiones de CO2, el hidrógeno (H2) es un vector energético con potencial para reducir las emisiones de GEI y puede contribuir al cumplimiento de los acuerdos internacionales y los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), especialmente el ODS7 sobre energía limpia y accesible [3]. Sin embargo, actualmente el H2 se produce principalmente a partir de combustibles fósiles, emitiendo CO2 a la atmósfera, clasificando esta forma de producción como H2 gris [4]. Por lo tanto, existe la necesidad de transformar la producción hacia H2 verde o hidrógeno de bajas emisiones (LEH), que aún está en investigación y desarrollo [5]. La electrólisis del agua alimentada por energía renovable es una forma prometedora para producir H2 [6]. Este proceso puede llevarse a cabo a través de tres tecnologías principales: electrolizadores alcalinos (AEL), electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) y celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC). El AEL es eficiente, con un consumo de 52 kWh/kg H2, 30 años de vida útil y madurez tecnológica como principales ventajas comparativas frente al resto de tecnologías [7]. Si bien el espacio que ocupa, la energía de activación y la pérdida de energía en el proceso son desventajas podrían equilibrarse con su bajo costo de producción y eficiencia en términos de calidad de H2.
Los electrolizadores alcalinos comerciales emplean metales de cobre (Cu), níquel (Ni) y hierro (Fe) como catalizadores baratos y disponibles en la región Latinoamericana. Sin embargo, se utilizan en combinación con metales costosos y escasos, como cobalto (Co) [8], molibdeno (Mo), rutenio (Ru) y cromo (Cr). Esto se debe a que la actividad electrocatalítica de Cu, Ni y Fe por separado es menor que cuando se combinan entre sí. Por ello, recientemente se diseñaron nanoheteroestructuras como catalizadores con eficiencia comparable a los metales nobles, por la alta superficie de contacto que ofrecen los nanoporos y su bajo coste. Así, se abre la posibilidad de evaluar, diseñar y/o rediseñar nanoheteroestructuras que puedan catalizar eficientemente la Reacción de Evolución de H2 (HER) para producir H2 a partir del agua. En consecuencia, este proyecto pretende contribuir al diseño y desarrollo de nanoheteroestructuras de Cu, Ni y Fe para catalizar eficientemente HER. Su ejecución contribuirá al objetivo de reindustrialización de la región, ofreciendo tecnologías locales para producir energía renovable con viabilidad económica, técnica y ambiental.