El dihidrógeno H
2 es un vector energético muy útil para convertir y almacenar energías renovables. Su producción y uso se basan en dispositivos, electrolizadores y pilas de combustible, en cuyo corazón se producen reacciones electroquímicas que implican hidrógeno y oxígeno, llevadas a cabo por electrodos típicamente de platino.
La eficiencia y la vida útil de estos dispositivos requieren dominar perfectamente los mecanismos físico-químicos que ocurren en la superficie de los electrodos. Su rendimiento depende en gran medida de los eventos que ocurren en la interfaz entre el electrodo y el electrolito, una zona nanométrica donde coexisten moléculas de agua, iones y cargas eléctricas.
Imagen de ilustración Pixabay
Por desgracia, estas interfaces siguen siendo difíciles de observar en modo
operando, es decir, directamente durante el uso, y muchos mecanismos fundamentales siguen siendo mal comprendidos.
En el marco del proyecto EMOSEINE, los científicos del Institut de chimie physique (CNRS/Université Paris-Saclay) y del Laboratoire ondes et matière d'Aquitaine (CNRS/Université de Bordeaux) siguieron en tiempo real los fenómenos que ocurren en la superficie de un electrodo de platino sumergido en una solución acuosa que contiene fosfatos.
Estos iones fosfato (H
nPO
4(3-n)- donde n = 0,1,2: H
2PO4
-, HPO
42-, PO
43-), procedentes del ácido fosfórico (H
3PO
4) en el que está sumergido el electrocatalizador de platino, son necesarios para estabilizar el pH y asegurar la conducción iónica.
Estable química y térmicamente a altas temperaturas, este ácido puede ser explotado de manera óptima en las pilas de combustible. Pero el conocimiento de los mecanismos de adsorción/desorción de los iones fosfato en contacto con los electrodos, favoreciendo o limitando su eficacia, sigue siendo muy parcial, dada la complejidad y variedad de las especies iónicas presentes.
Para avanzar en la comprensión de estos fenómenos, los científicos desarrollaron una celda electroquímica acoplada a la espectroscopia óptica no lineal por generación de segundo armónico (SHG). Esta celda espectroelectroquímica les permitió sondear específicamente en tiempo real los procesos químicos (cinética de las reacciones, naturaleza y organización de las especies adsorbidas en la superficie del electrodo de platino y productos finales) que ocurren en la superficie de materiales electrocatalíticos sumergidos en medio acuoso, independientemente del voltaje eléctrico aplicado a estos.
Su trabajo muestra que los iones fosfato no interactúan todos de la misma manera con la superficie del platino. El ion dihidrógenofosfato (H₂PO₄⁻) se comporta como un adsorbente débil. Permanece mayoritariamente en la periferia de la interfaz sin ocupar directamente los sitios activos del metal y se comporta como un ion espectador.
Por el contrario, las formas menos protonadas de los fosfatos (HPO₄²⁻ y PO₄³⁻) presentan una mayor afinidad por la superficie. Pueden competir con otras especies, como los iones hidróxido (OH⁻), por ocupar los sitios catalíticos. Una adsorción que puede modificar profundamente la estructura electrónica de la interfaz y ralentizar las reacciones electroquímicas.
Los científicos también muestran que estos fenómenos dependen fuertemente del pH de la solución. En medio ácido, la adsorción sigue siendo limitada y relativamente reversible. En cambio, cuando el pH aumenta, las interacciones se vuelven más fuertes y complejas, con efectos notables sobre la cinética de las reacciones y sobre la estabilidad del electrodo.
Estos resultados permiten comprender mejor lo que se llama el "envenenamiento" de los electrodos, es decir, el bloqueo de los sitios activos del catalizador en su superficie por especies adsorbidas que disminuye la eficacia de las reacciones. Al identificar precisamente qué especies son responsables de este fenómeno y en qué condiciones, este estudio constituye un avance importante para el desarrollo de pilas de combustible más eficientes y duraderas.
Redactor: Christophe CARTIER DIT MOULIN
Fuente: CNRS INC