Producción de hidrógeno verde mediante el desarrollo de electrocatalizadores de carburo de tungsteno (c-WC) por magnetron sputtering modificado

Abstract

La creciente amenaza del cambio climático, derivado principalmente de la combustión de combustibles fósiles, ha intensificado la búsqueda de fuentes energéticas carbono-cero. El hidrógeno (H2) verde ha surgido como una alternativa prometedora, capaz de evitar la emisión anual de 830 millones de toneladas de CO2, según la Agencia Internacional de Energía (AIE). A pesar de sus beneficios, la producción de hidrógeno verde se ve obstaculizada por el elevado costo y escasez de platino, un catalizador esencial. En ese contexto, se busca nuevos electrodos para la producción de hidrógeno. Los carburos de tungsteno (WCs) se destacan como catalizadores no nobles rentables y eficientes en la reacción de evolución de hidrógeno (HER). Sin embargo, su método de obtención tradicional resulta en materiales con baja cristalinidad. El uso de la técnica magnetrón sputtering modificado ofrece una solución al proporcionar materiales cristalinos de alta pureza a bajas temperaturas. En este estudio, se desarrollaron nuevos catalizadores en forma de películas planas nanoestructuradas y cristalinas de carburo de tungsteno cúbico (c-WC) para la reacción de evolución de hidrógeno (HER), empleando un sistema modificado de magnetron sputtering (MS). Esta metodología de síntesis permitió obtener materiales de alta pureza con una nanocristalinidad superior al 94% a temperatura ambiente, caracterizados por una densidad elevada de fallas de apilamiento y defectos gemelos. Se llevó a cabo una exhaustiva caracterización mediante técnicas fisicoquímicas, morfológicas. Además, se evaluó sus propiedades electroquímicas, las cuales indican que el filme c-WC muestra una pendiente de Tafel de 85 mV dec-1, también exhibe una elevada área superficial electroquímica que se incrementa en un factor de 80 en comparación con la geométrica y un potencial de inicio entre -50 y -90 mV respecto a RHE, así como una significativa cantidad de sitios activos, atribuibles a las fallas de apilamiento y defectos gemelos en su estructura.

The growing threat of climate change, mainly derived from the combustion of fossil fuels, has intensified the search for carbon-zero energy sources. Green hydrogen (H2) has emerged as a promising alternative capable of avoiding the annual emission of 830 million tons of CO2, according to the International Energy Agency (IEA). Despite its benefits, the production of green hydrogen is hindered by the high cost and scarcity of platinum, an essential catalyst. In this context, new electrodes for hydrogen production are sought. Tungsten carbides (WCs) stand out as cost-effective and efficient non-noble catalysts in the hydrogen evolution reaction (HER). However, their traditional synthesis method results in materials with low crystallinity. The use of modified magnetron sputtering technique offers a solution by providing highly pure crystalline materials at low temperatures. In this study, new catalysts in the form of nanostructured and crystalline cubic tungsten carbide (c-WC) flat films for the HER were developed using a modified magnetron sputtering system. This synthesis methodology allowed obtaining high- purity materials with a nanocrystallinity exceeding 94% at room temperature, characterized by a high density of stacking faults and twin defects. Comprehensive characterization was carried out using physicochemical and morphological techniques. Additionally, their electrochemical properties were evaluated, indicating that the c-WC film shows a Tafel slope of 85 mV dec-1, also exhibiting a high electrochemical surface area increased by a factor of 80 compared to the geometric area and an onset potential between -50 and -90 mV vs RHE, as well as a significant number of active sites, attributable to stacking faults and twin defects in its structure.