Calcogenuros de níquel soportados en espumas de níquel como catalizadores para la reacción de producción de hidrógeno verde

Abstract

En este trabajo se han sintetizado calcogenuros (sulfuros y seleniuros) de níquel por modificación superficial de espumas de níquel, formando en primer lugar, estructuras 2D de hidróxidos de níquel por etching químico en un medio ligeramente ácido; y, en segundo lugar, sometiendo estos hidróxidos a un proceso de sulfuración o selenización, con el fin de evaluar su actividad como catalizadores frente a la reacción de evolución de hidrógeno (HER). Los materiales preparados se han caracterizado fisicoquímicamente por microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía Raman, difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), para determinar la morfología superficial de los mismos y la identidad de los diferentes compuestos formados. En este sentido, se ha encontrado que la metodología experimental empleada conduce a la formación de estructuras 2D de hidróxidos de níquel que se mantienen después de ser sometidas a los tratamientos de sulfuración/selenización. Además, se ha encontrado que los calcogenuros de níquel se forman a nivel más interno de las espumas modificadas, mientras que en la superficie de estas hay mayor abundancia de óxidos/hidróxidos de níquel, así como de óxidos de azufre y selenio. Estos materiales también se han caracterizado electroquímicamente en medio alcalino, por medio de las técnicas de voltamperometría cíclica, curvas de polarización y espectrometría de masas diferencial electroquímica (DEMS), con el fin de evaluar su actividad catalítica frente a la HER. Por DEMS, se han determinado de manera precisa el potencial de inicio de esta reacción y las pendientes de Tafel, encontrándose valores que no se ven afectados por las corrientes catódicas asociadas a la reducción de los óxidos e hidróxidos superficiales presentes en los materiales. Esta técnica ha permitido demostrar que las corrientes faradaicas no se pueden utilizar para establecer estos parámetros y, por tanto, los valores reportados en la literatura son erróneos ya que no tienen en cuenta la contribución de la reducción de los óxidos e hidróxidos en las corrientes catódicas que atribuyen a la HER. Teniendo en cuenta los valores que se han obtenido para el potencial de inicio de la HER, es posible sugerir que estos materiales son candidatos idóneos para utilizarse como cátodos en electrolizadores para la producción de hidrógeno verde.

In this work, nickel chalcogenides (sulfides and selenides) have been synthesised by surface modification of nickel foams, incorporating 2D nickel hydroxide structures by chemical etching in a slightly acidic media, followed by sulphuration or selenisation of these structures, in order to evaluate its catalytic activity toward the hydrogen reduction reaction (HER). The prepared materials have been physicochemically characterised by scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to determine their morphology features and the identity of the surface compounds present on them. In this regard, 2D nickel hydroxide structures were found, which did not change after the sulfuration/selenisation process. Furthermore, the physicochemical analyses demonstrated that the chalcogenides are formed in the internal areas of the Ni foams, whereas the surface is enriched with nickel oxides/hydroxides and sulfur and/or selenium hydroxides. On the other hand, the electrochemical properties of these materials have been assessed in alkaline media by cyclic voltammetry, polarisation curves and differential electrochemical mass spectrometry (DEMS), in order to determine their activity toward the HER. DEMS experiments allowed a precise determination of HER onset potential and Tafel slopes, finding values that are not affected by the reduction of surface oxides present on the materials. This technique has made it possible to demonstrate that faradaic currents cannot be used to establish these parameters and, therefore, the values reported in the literature are erroneous since they do not take into account the contribution of the reduction of oxides and hydroxides in cathodic currents attributed to HER. Bearing in mind the onset potential values determined for the HER on the different materials, it is possible to suggest that they are suitable candidates to be employed as cathodes for electrolysers with the purpose to produce green hydrogen.