Una pareja perfecta: el cromo mantiene al rutenio con los pies en la tierra en la electrólisis del agua
Investigadores del ICFO y sus colaboradores han descubierto que el cromo protege al rutenio de una oxidación excesiva, y que juntos forman la pareja perfecta para estabilizar los catalizadores durante la electrólisis del agua. Los resultados, publicados en Nature Materials, allanan el camino hacia catalizadores más duraderos para la producción de hidrógeno verde.
Dicen que los polos opuestos se atraen. Muchas parejas acaban, efectivamente, cumpliendo la máxima. Uno es práctico y tiene los pies en la tierra, mientras que el otro es un soñador que vive en las nubes. Y, sin embargo, son precisamente esas diferencias las que los hacen perfectos el uno para el otro.
Según los investigadores del ICFO, con los átomos y sus interacciones químicas ocurre algo muy parecido. El rutenio, por ejemplo, pertenece a la categoría de los soñadores. Se utiliza habitualmente en catalizadores de átomo único que aceleran la electrólisis del agua, el proceso que separa estas moléculas para obtener hidrógeno verde. El problema es que, por sí solo, el rutenio tiende a oxidarse en exceso y a disolverse mientras funciona, como un idealista que echa a volar sin mirar atrás.
En un artículo publicado en Nature Materials, los investigadores del 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, Prathama Haldar, la Dra. Barbara Polesso, la Dra. Aparna M. Das, el Dr. Sunil Kadam, dirigidos por el Prof. del ICFO F. Pelayo García de Arquer, en estrecha colaboración con la Universidad de Bayreuth, el Instituto de Investigación sobre la Estructura de la Materia de Fujian, el Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), la Universidad de Chongqing y el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Brasil (INPE), presentan ahora a la pareja ideal para mantener arraigado al rutenio: el cromo.
“Mucha gente sabe que el cromo permite al acero inoxidable resistir la corrosión”, explica Tengyu Chen, primer autor del artículo. “Por eso nos preguntamos si también podría ser un buen compañero para un elemento tan inquieto como el rutenio, y empezamos a estudiar su papel protector a escala atómica”.
Para ello, los investigadores diseñaron un método de síntesis que acercaba los átomos de rutenio y de cromo dentro de una estructura de óxido y, después, dieron un paso al lado para observar cómo se llevaban entre ellos.
Mediante técnicas avanzadas de microscopía electrónica y espectroscopía de sincrotrón, comprobaron que los átomos vecinos de rutenio y cromo interactuaban a través de puentes de oxígeno, y que el cromo frenaba la oxidación excesiva del rutenio sin restarle actividad catalítica. En la práctica, los átomos dejaban de comportarse de forma individual y pasaban a formar pequeñas unidades que respondían de manera conjunta durante la catálisis.
“Fue como ver la flecha de Cupido pasar por delante de nuestros ojos, alcanzando a dos elementos distintos”, cuenta el Dr. Kaiwen Wang, primer autor del artículo. “Luego estas parejas de átomos empezaron a trabajar en equipo para controlar la evolución del catalizador mientras funcionaba, mejorando así su durabilidad. ¡Estaban hechos el uno para el otro!”, añade el Dr. Lu Xia, también primer autor del estudio.
La siguiente pregunta es cómo conseguir que estos átomos no solo se enamoren, sino que sigan juntos a largo plazo. Observar con mayor resolución cómo se forman estas parejas y controlar mejor dicho proceso permitirá a los investigadores generalizar el principio que hay detrás y trasladarlo a tecnologías prácticas, un objetivo que el equipo ya tiene previsto empezar a perseguir.
“Unos catalizadores más eficientes y duraderos podrían hacer que la producción de hidrógeno renovable dependiera menos de metales preciosos escasos y resultara más asequible”, explica el Prof. Pelayo García de Arquer, investigador principal del estudio. “Estrategias como esta, que mantienen la estabilidad de catalizadores muy activos, contribuyen al objetivo a largo plazo de producir hidrógeno limpio para usarlo luego como combustible”.
Referencia:
T. Chen, K. Wang, L. Xia, et. al., Proximal redox coupling enables oxidation damping for stable water electrolysis, Nat. Mat. (2026).
Agradecimientos:
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).