El diseño y la aplicación de electro catalizadores de alto rendimiento y bajo costo para la electrólisis del agua han atraído cada vez más su atención. Esto se debe a la gran importancia que la división del agua sea una tecnología de conversión de energía más accesible y eficiente. Existen varias características de los electrodos que conducen a una disminución de la sobretensión y, por lo tanto, mejoran la eficiencia de la división del agua, tales como:

1. Mejorar la actividad intrínseca de los sitios catalíticos.

2. Aumentar la densidad de los sitios activos electrocatalíticos.

3. Mejorar la conductividad de los materiales del electrodo.

4. Optimizar las propiedades de transferencia de masa en la superficie del electrodo.

Para mejorar la transferencia de masa, se ha descubierto que las arquitecturas de nano arreglos en el electrodo aceleran dramáticamente las reacciones en el cátodo y el ánodo al facilitar la liberación de burbujas de gas de la superficie del electrodo. Al mismo tiempo, las nanoestructuras en la superficie del electrodo aumentan el área superficial y maximizan la densidad de sitios catalíticos activos. Los sulfuros basados en hierro, cobalto y níquel (Fe, Co, Ni) han sido conocidos por su reactividad ajustable e inherente en las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno (HER y OER), y son, por lo tanto, buenos candidatos para materiales de electrodos en la electrólisis. Recientemente, Wang et al. desarrollaron un método solvo térmico sencillo para sintetizar arreglos híbridos de nanotubos basados en Fe, Co, Ni (FeCoNi-HNTAs) a partir de arreglos de nano cables de hidróxido doble en capas (FeCoNi-LDH-NWAs) soportados en un sustrato de espuma de Ni (Figura 1). Este electro catalizador bifuncional mostró una actividad sobresaliente y muy buena estabilidad cuando se aplicó para la división del agua.

Figura 1: Proceso sintético de la matriz híbrida de nanotubos FeCoNi-HNTAs.

Para comprender más profundamente por qué los nanoarreglos tienen ventajas estructurales para la liberación eficiente de burbujas y la superaerofobicidad, se realizaron mediciones de la fuerza adhesiva y del ángulo de contacto de las burbujas de gas en la superficie del electrodo. Como se muestra en la Figura 2, hay una fuerza adhesiva insignificante de las burbujas en las superficies de FeCoNi-HNTAs y FeCoNi-LDH-NWAs. En particular, el ángulo de contacto de la burbuja en la superficie de FeCoNi-HNTAs bajo el electrolito alcanzó aproximadamente 171.0°, lo que demuestra que los FeCoNi-HNTAs poseen una notable superaerofobicidad. Esto se debe al estado discontinuo de la línea de contacto trifásica (TPCL) entre las burbujas y la superficie del electrodo, lo que resulta en una área de contacto extremadamente baja. Además, la excelente superhidrofilicidad podría facilitar la formación de una película húmeda en la superficie del electrodo, lo que también puede disminuir el área de contacto entre las burbujas y la superficie. Como comparación, se estudiaron MoS₂/Espuma de Ni y espuma de Ni sin recubrimiento, lo que confirmó aún más que los electrodos de nanoarreglos tienen una superhidrofilicidad y superaerofobicidad más fuertes, lo que explica su efectiva liberación de burbujas.

Figura 2: Medidas de fuerza adhesiva y ángulo de contacto de burbujas de gas en FeCoNi-HNTAs, FeCoNi-LDH-NWAs, espuma de MoS2/Ni y espuma de Ni desnuda.

Medición de la fuerza adhesiva de burbujas de gas bajo el agua con DCAT 25

Las fuerzas adhesivas de los líquidos en fase de aire o de las burbujas de gas en fase líquida pueden analizarse con dispositivos de medición de Ángulo de Contacto Dinámico y con el Tensiometro DCAT 25 con mejora del video. 

Este sistema combina una medición de fuerza para determinar la fuerza de adhesión y un sistema óptico para determinar el área de contacto entre la fase líquido/gas y la fase sólida para cada fuerza que se mide. De esta manera, se puede determinar una fuerza por área. El procedimiento de medición implica que un líquido o una burbuja de gas se empuje sobre un sustrato sólido en aire o líquido y luego se retire nuevamente.

Este sistema combina una medición de fuerza para determinar la fuerza de adhesión y un sistema óptico para determinar el área de contacto entre la fase líquido/gas y la fase sólida para cada fuerza que se mide. De esta manera, se puede determinar una fuerza por área. El procedimiento de medición implica que un líquido o una burbuja de gas se empuje sobre un sustrato sólido en aire o líquido y luego se retire nuevamente.

En general, este trabajo reportó un electrodo bifuncional con arreglo de nanotubos eficiente y estable para la división del agua, que tiene un gran potencial en aplicaciones de conversión de energía. Además, se pudo generar una comprensión clara de las ventajas estructurales de los nano arreglos para la liberación eficiente de burbujas de la superficie del electrodo mediante mediciones de la fuerza adhesiva y del ángulo de contacto de las burbujas de gas en las superficies del electrodo, lo cual es muy auspiciate para desarrollar electrodos altamente eficientes.

Para más información, consulte el siguiente artículo:  
**Systematic design of superaerophobic nanotube-array electrode comprised of transition metal sulfides for overall water splitting;** H. Li, S. Chen, Y. Zhang, Q. Zhang, X. Jia, Q. Zhang, L. Gu, X. Sun, Li Song, X. Wang; 2018, *Nat Commun* 9, 2452. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04888-0

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