Una parella perfecta: el crom manté el ruteni amb els peus a terra durant l’electròlisi de l’aigua
Investigadors de l’ICFO i col·laboradors han descobert que el crom protegeix el ruteni d’una oxidació excessiva, i que junts formen la parella perfecta per estabilitzar els catalitzadors durant l’electròlisi de l’aigua. Els resultats, publicats a Nature Materials, obren el camí cap a catalitzadors més duradors per a la producció d’hidrogen verd.
Diuen que els pols oposats s’atrauen. Moltes parelles acaben, efectivament, complint la màxima. L’un és pràctic i amb els peus a terra, mentre que l’altre és un somiador que viu als núvols. I, tanmateix, són precisament aquestes diferències les que els fan perfectes l’un per a l’altre.
Segons els investigadors de l’ICFO, amb els àtoms i les seves interaccions químiques passa una cosa molt semblant. El ruteni, per exemple, pertany a la categoria dels somiadors. S’utilitza habitualment en catalitzadors d’un sol àtom que acceleren l’electròlisi de l’aigua, el procés que separa aquestes molècules per obtenir hidrogen verd. El problema és que, tot sol, el ruteni tendeix a oxidar-se en excés i a dissoldre’s mentre la reacció encara dura, com un idealista que alça el vol sense mirar enrere.
En un article publicat a Nature Materials, els investigadors de l’ICFO Tengyu Chen, el Dr. Kaiwen Wang, el Dr. Lu Xia, el Dr. Wulyu Jiang, el Dr. Linlin Yang, el Dr. Kaiqi Zhao, Ranit Ram, el Dr. Junmei Chen, el Dr. Marinos Dimitropoulos, la Dra. Viktoria Golovanova, en Prathama Haldar, la Dra. Barbara Polesso, la Dra. Aparna M. Das, el Dr. Sunil Kadam, dirigits pel Prof. de l’ICFO F. Pelayo García de Arquer, en estreta col·laboració amb la Universitat de Bayreuth, l’Institut de Recerca sobre l’Estructura de la Matèria de Fujian, l’Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC), l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), la Universitat de Chongqing i l’Institut Nacional d’Investigacions Espacials del Brasil (INPE), presenten ara la parella ideal per mantenir el ruteni ben arrelat: el crom.
“Molta gent sap que el crom permet que l’acer inoxidable resisteixi la corrosió”, explica en Tengyu Chen, primer autor de l’article. “Per això ens vam preguntar si també podria ser un bon company per a un element tan inquiet com el ruteni, i vam començar a estudiar-ne el paper protector a escala atòmica”.
Per fer-ho, els investigadors van dissenyar un mètode de síntesi que apropava els àtoms de ruteni i de crom dins d’una estructura d’òxid i, després, van fer un pas al costat per observar com s’entenien entre ells.
Mitjançant tècniques avançades de microscòpia electrònica i espectroscòpia de sincrotró, van comprovar que els àtoms veïns de ruteni i crom interactuaven a través de ponts d’oxigen, i que el crom frenava l’oxidació excessiva del ruteni sense restar-li activitat catalítica. A la pràctica, els àtoms deixaven de comportar-se de manera individual i passaven a formar petites unitats que responien de manera conjunta durant la catàlisi.
“Va ser com veure la fletxa de Cupido passar per davant dels nostres ulls, encertant dos elements diferents”, explica el Dr. Kaiwen Wang, primer autor de l’article. “Després, aquestes parelles d’àtoms van començar a treballar en equip per controlar l’evolució del catalitzador mentre funcionava, i així en milloraven la durabilitat. Estaven fets l’un per a l’altre!”, afegeix el Dr. Lu Xia, també primer autor de l’estudi.
La pregunta següent és com aconseguir que aquests àtoms no només s’enamorin, sinó que continuïn junts a llarg termini. Observar amb més resolució com es formen aquestes parelles i controlar millor aquest procés permetrà als investigadors generalitzar el principi que hi ha al darrere i traslladar-lo a tecnologies pràctiques, un objectiu que l’equip ja té previst començar a perseguir.
“Uns catalitzadors més eficients i duradors podrien fer que la producció d’hidrogen renovable depengués menys de metalls preciosos escassos i fos més assequible”, explica el Prof. Pelayo García de Arquer, investigador principal de l’estudi. “Estratègies com aquesta, que mantenen l’estabilitat de catalitzadors molt actius, contribueixen a l’objectiu a llarg termini de produir hidrogen net per fer-lo servir després com a combustible”.
Referència:
T. Chen, K. Wang, L. Xia, et. al., Proximal redox coupling enables oxidation damping for stable water electrolysis, Nat. Mat. (2026).
Agraïments:
ICFO thanks CEX2024-001490-S, PID2022-138127NA-I00 and RED2024-154266-T [MCIN/AEI/10.13039/501100011033], PR-H2CVAL4-C1-2022-0069 (IDAE/MITERD, NextGenerationEU); Fundacio Cellex, Fundacio Mir-Puig, Generalitat de Catalunya through CERCA; and the European Union (NASCENT, 101077243). L.X. is grateful to the MSCA programme (VITAL, 101150688). This work is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) under the funding codes Live XAS (grant 05K22WC1) and HighHy (grant 03SF0689B). ICN2 is supported by the Severo Ochoa programme from Spanish MCIN/AEI (grant no. CEX2021-001214-S) and is funded by the CERCA Programme/Generalitat de Catalunya. ICN2 acknowledges funding from Generalitat de Catalunya 2021SGR00457. ICN2 acknowledges funding from Grant IU16-014206 (METCAM-FIB) funded by the European Union through the European Regional Development Fund (ERDF), with the support of the Ministry of Research and Universities, Generalitat de Catalunya. The authors acknowledge support from the project AMaDE (PID2023-149158OB-C43), funded by MCIN/ AEI/10.13039/501100011033/ and by ‘ERDF A way of making Europe’ by the European Union. L.G.V. acknowledges the funding granted by the Sao Paulo Research Foundation, FAPESP (grant numbers #2024/06899-0 and #2023/06233-9).