Para remediar la escasez de energía y reducir las emisiones de carbono causadas por el uso de combustibles fósiles, es necesario generar energía limpia y sostenible. Para este fin, una solución posible y de gran interés es la generación de hidrógeno “verde” mediante la electrólisis del agua, utilizando fuentes renovables de electricidad (solar o eólica). El uso de membranas de intercambio aniónico que funcionen en un sistema de baja alcalinidad surge como una tecnología prometedora, pues integra los méritos de bajo costo y alta eficiencia de la electrólisis del agua alcalina con los de la electrólisis del agua empleando membranas de intercambio de protones, una técnica que ha demostrado compatible con las fuentes renovables de electricidad.
Sin embargo, ante los escasos recursos de agua dulce, la electrólisis directa del agua de mar es sumamente atractiva para la futura producción de hidrógeno a gran escala. No obstante, hasta la fecha, no se han logrado avances satisfactorios en el desarrollo de sistemas basados en membranas de intercambio aniónico. Un enorme desafío que se enfrenta es contar con electrocatalizadores altamente estables durante la reacción de generación de oxígeno (OER, del inglés oxygen evolution reaction) y altamente resistentes a la corrosión por cloruro.
Un grupo de investigadores de China, desarrolló un nanocomposito electrocatalizador robusto para la electrólisis de agua de mar mediante la integración del MXeno (Ti3C2) con sulfuros de NiFe ((Ni,Fe)S2@Ti3C2). Empleando una serie de caracterizaciones y cálculos DFT, demostraron que la fuerte interacción entre (Ni,Fe)S2 y Ti3C2 regula la distribución de electrones para activar la OER y, en particular, prohíbe la disolución de especies de Fe durante el proceso a través del enlace Ti-O-Fe, logrando una estabilidad notable. Además, la buena retención de sulfatos y los abundantes grupos de Ti3C2 proporcionan una resistencia efectiva al Cl-.
En consecuencia, el nanocomposito (Ni,Fe)S2@Ti3C2 logra una alta actividad OER (1,598 V a 2 A cm-2) y alta durabilidad de más de 1000 h en el sistema de agua de mar. Además, se consigue la electrólisis con una densidad de corriente industrial (0,5 A cm-2) y durabilidad (500 h) mediante el ánodo (Ni,Fe)S2@Ti3C2 y el cátodo de Ni Raney con eficiencia del 70% y consumo de energía de 48,4 kWh kg-1 H2.
Este trabajo proporciona una metodología eficiente para abordar la electrólisis de agua de mar basada en membranas de intercambio aniónico, resolviendo el problema de la desactivación de catalizadores de metales de transición inducida por la disolución de metales activos y/o la corrosión por cloruro.
El trabajo fue publicado en Nature Communications