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Por primera vez, los científicos han observado directamente cómo las moléculas de agua en la capa de Stern, la capa más cercana a la superficie de un electrodo sumergido en agua, experimentan un giro de 180° antes de participar en la reacción de evolución de oxígeno (OER). Este fenómeno, que se produce bajo la aplicación de un voltaje, podría explicar por qué la electrólisis del agua requiere más energía de la teóricamente calculada.
El equipo de investigación utilizó técnicas ópticas avanzadas en electrodos de níquel a pH 13 para medir la orientación de las moléculas de agua en respuesta a diferentes voltajes. Descubrieron que una monocapa completa de agua, equivalente a 1,1 × 1015 moléculas por cm², se alinea con sus átomos de oxígeno apuntando hacia el electrodo cuando el potencial alcanza +0,8 V.
El estudio sugiere que el giro de las moléculas de agua requiere una energía de 80 kJ/mol, lo que podría representar una de las razones principales del sobrepotencial de la reacción de evolución de oxígeno. Este sobrepotencial es un problema bien conocido en la producción de hidrógeno mediante electrólisis, ya que encarece el proceso al aumentar la cantidad de energía necesaria.
"Los electrodos están cargados negativamente, por lo que las moléculas de agua naturalmente orientan sus átomos de hidrógeno hacia ellos", explicó Franz Geiger, autor principal del estudio. "Sin embargo, cuando la intensidad del campo eléctrico es lo suficientemente alta, las moléculas giran, permitiendo la transferencia de electrones desde el oxígeno del agua hacia el electrodo".
La reacción de evolución de oxígeno es un proceso fundamental en la producción de hidrógeno verde, un combustible clave para la transición energética. Sin embargo, su eficiencia ha sido un desafío debido a la alta cantidad de energía requerida para dividir las moléculas de agua. Este nuevo hallazgo sugiere que diseñar catalizadores que faciliten el giro del agua podría reducir drásticamente el costo energético de la electrólisis.
Los investigadores también encontraron que la eficiencia del proceso mejora a valores de pH más altos, lo que sugiere que el entorno químico juega un papel crucial en la reorientación de las moléculas de agua. Esto abre nuevas posibilidades para optimizar las condiciones de electrólisis y desarrollar tecnologías más eficientes.
"Nuestro trabajo resalta lo poco que aún sabemos sobre el comportamiento del agua en interfaces electroquímicas", señaló Geiger. "El agua es compleja y nuestras nuevas técnicas nos permiten entenderla mejor. Diseñar nuevos catalizadores que hagan que el giro del agua sea más fácil podría hacer que la electrólisis del agua sea más rentable y escalable".
Fuente: Los resultados del estudio fueron publicados en Science Advances. Para acceder al artículo completo, visita este enlace.
