tecnología, hidrógeno verde, energías renovables, catalizador, fotosíntesis
Un gran avance en la investigación sobre energía renovable ha llevado al desarrollo de un catalizador basado en hierro rentable y altamente eficiente para la oxidación del agua.
05 marzo 2025.- Esta innovación imita la fotosíntesis natural y supera las limitaciones de los costosos catalizadores metálicos. El complejo de hierro polimerizado recientemente desarrollado, poly-Fe5-PCz, cuenta con una estabilidad excepcional y una eficiencia faradaica casi perfecta, lo que lo convierte en un punto de inflexión en la producción de hidrógeno. Al aprovechar los abundantes materiales, el estudio allana el camino para soluciones energéticas escalables y sostenibles que podrían transformar el almacenamiento de energía limpia y la generación industrial de hidrógeno.
Aprovechamiento de la oxidación del agua para generar energía renovable
La oxidación del agua es un proceso clave en las energías renovables, en particular para la producción de hidrógeno y la fotosíntesis artificial. Al dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, ofrece una fuente de energía limpia y sostenible. Sin embargo, reproducir la eficiencia y la estabilidad de la fotosíntesis natural en catalizadores artificiales, especialmente en entornos basados en agua, sigue siendo un gran desafío. Si bien los catalizadores fabricados a partir de metales raros como el rutenio son muy eficaces, su alto costo y su suministro limitado los hacen poco prácticos para aplicaciones a gran escala.
Para superar este problema, un equipo de investigación dirigido por el profesor Mio Kondo del Instituto de Ciencias de Tokio (Japón) desarrolló un sistema catalítico más sostenible y asequible utilizando metales ampliamente disponibles. Su estudio, publicado hoy (5 de marzo) en Nature Communications , presenta una alternativa prometedora para avanzar en la tecnología de energía limpia.
Presentación del catalizador de hierro pentanuclear
El estudio presenta un nuevo complejo de hierro pentanuclear, Fe5-PCz(ClO₄)₃, que posee un sitio activo catalítico basado en complejos multinucleares y fracciones precursoras para sitios de transferencia de carga. Kondo explica: “Al polimerizar electroquímicamente este complejo de hierro multinuclear, creamos un material basado en polímeros que mejora la actividad electrocatalítica y la estabilidad a largo plazo. Este enfoque combina los beneficios de los sistemas naturales con la flexibilidad de los catalizadores artificiales, allanando el camino para soluciones energéticas sostenibles”.
Sintetización y caracterización del catalizador
Los investigadores sintetizaron el complejo Fe5-PCz(ClO₄)₃ mediante reacciones orgánicas como bromación, sustitución nucleofílica, reacciones de acoplamiento de Suzuki y posteriores reacciones de formación de complejos. El complejo sintetizado se caracterizó mediante espectrometría de masas, análisis elemental y análisis estructural de rayos X de monocristales.
Luego, los investigadores modificaron electrodos de óxido de indio y estaño y carbono vítreo mediante la polimerización de Fe5-PCz mediante voltamperometría cíclica y electrólisis de potencial controlado para obtener un catalizador basado en polímero, poli-Fe5-PCz.
La capacidad de transferencia de carga y el rendimiento electrocatalítico del poli-Fe5-PCz se evaluaron mediante espectroscopia de impedancia electroquímica y experimentos de reacción de evolución de oxígeno (OER) con producción de oxígeno cuantificada mediante cromatografía de gases, respectivamente.
Rendimiento y estabilidad excepcionales
Los resultados fueron muy prometedores. Kondo explica: "Poly-Fe5-PCz logró una eficiencia faradaica de hasta el 99 % en medios acuosos, lo que significa que casi toda la corriente aplicada contribuyó a la OER. El sistema también mostró una robustez superior y una velocidad de reacción en condiciones de prueba rigurosas en comparación con los sistemas relevantes".
Además, el poli-Fe5-PCz demostró un potencial de almacenamiento de energía mejorado y una mejor compatibilidad de los electrodos, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones de energía renovable. Su alta estabilidad se confirmó además mediante experimentos de potencial controlado a largo plazo, una ventaja clave para la producción de hidrógeno y las tecnologías de almacenamiento de energía.
Implicaciones para la energía sostenible
Los hallazgos del estudio tienen implicaciones importantes para la energía sostenible. El uso de hierro, un metal abundante y no tóxico, garantiza que el sistema sea ecológico y rentable, ofreciendo una alternativa viable a los catalizadores basados en metales preciosos. Su estabilidad en condiciones operativas aborda un desafío importante en los sistemas catalíticos artificiales, donde la degradación a largo plazo del catalizador a menudo limita el rendimiento. Además, el rendimiento del sistema en entornos acuosos lo hace adecuado para aplicaciones en la división del agua.
“Optimizar la síntesis y la escalabilidad del poli-Fe5-PCz podría mejorar aún más su rendimiento, allanando el camino para la producción de hidrógeno y el almacenamiento de energía a escala industrial. Nuestro estudio abre nuevas posibilidades para integrar el sistema en tecnologías energéticas más amplias, allanando el camino hacia un futuro más sostenible”, concluye Kondo.
Referencia: “Iron-Complex-Based Catalytic System for High-Performance Water Oxidation in Aqueous Media” 5 March 2025, Nature Communications. DOI: 10.1038/S41467-025-57169-Y
COMENTARIOS