La malla de níquel como sustrato para catalizadores de OER: ventajas estructurales, procesos de electrodeposición y optimización

En la electrólisis del agua alcalina para la producción de hidrógeno, la reacción de evolución de oxígeno (OER) supone un cuello de botella clave debido a su cinética lenta, que implica un proceso de transferencia de cuatro electrones. El desarrollo de catalizadores de metales no preciosos, de alta actividad y bajo coste, es actualmente uno de los principales ejes de investigación. La selección del sustrato adecuado para el catalizador es igualmente crucial: debe permitir una carga uniforme del catalizador, un transporte eficiente de electrones y una rápida liberación de burbujas. La malla de níquel, con sus propiedades físicas y químicas únicas, ofrece ventajas distintivas en esta aplicación.

La malla de níquel como sustrato para catalizadores de OER

Ventajas estructurales de los sustratos a base de níquel: espuma de níquel frente a fieltro o malla de níquel

Entre los sustratos porosos a base de níquel más utilizados se encuentran la espuma de níquel y la malla de níquel (también denominadas estructuras tejidas o tipo fieltro). Aunque ambas están fabricadas con níquel, sus diferencias estructurales determinan su idoneidad para distintas aplicaciones.

Espuma de níquel: presenta una estructura tridimensional de celdas abiertas interconectadas con alta porosidad y una gran superficie específica. Sin embargo, la distribución del tamaño de sus poros es relativamente aleatoria y su tortuosidad es elevada. A altas densidades de corriente, esta estructura dificulta la rápida salida de las burbujas, lo que provoca la acumulación de gas en la superficie del electrodo. Esto aumenta tanto la resistencia óhmica como la de difusión, lo que da lugar a un sobrepotencial elevado.

Malla de níquel (malla de fieltro/tejida): Consiste en una estructura de rejilla tejida regularmente con alambres de níquel. Sus ventajas residen en el tamaño uniforme de los poros, la elevada superficie abierta y la regularidad estructural. Esta arquitectura de rejilla abierta proporciona vías sin obstrucciones para la convección del electrolito y la difusión del gas producido. Los estudios han demostrado que los parámetros geométricos de los electrodos —como el área abierta— afectan significativamente al rendimiento de la OER. A altas densidades de corriente, la malla de níquel con un área abierta reducida puede provocar que las burbujas queden atrapadas en las aberturas de la malla, lo que hace que las curvas de polarización se desvíen de la linealidad de Tafel y aumenta la resistencia al transporte de masa. Por el contrario, la estructura regular de la malla de níquel facilita el desprendimiento de las burbujas y mejora la transferencia de masa, lo que la hace especialmente adecuada para el funcionamiento a altas densidades de corriente. Estudios comparativos también han demostrado que la malla de níquel y el fieltro de níquel presentan una mayor actividad de la OER que la espuma de níquel.

Para los electrolizadores industriales que exigen alta eficiencia, estabilidad y una larga vida útil, la malla de níquel ofrece ventajas estructurales inherentes como sustrato catalítico.

Proceso de fabricación del núcleo: electrodeposición

La electrodeposición es una de las técnicas más utilizadas para preparar catalizadores de OER soportados por malla de níquel. El principio subyacente consiste en la reducción de iones metálicos en el electrolito —como Ni²⁺, Fe³⁺ y Co²⁺— sobre la superficie del cátodo de malla de níquel bajo un campo eléctrico aplicado, formando así una capa catalítica.

Este proceso ofrece varias ventajas clave:

Fácil manejo y rentabilidad: no requiere equipos complejos ni costosos y es fácilmente escalable para la producción en masa.

Crecimiento in situ y fuerte adhesión: el catalizador se nuclea y crece directamente sobre el sustrato de malla de níquel, formando un enlace interfacial firme que elimina los problemas de desprendimiento habitualmente asociados a los métodos de recubrimiento convencionales, lo que garantiza una estabilidad operativa a largo plazo.

Control preciso de la morfología y la composición: al ajustar parámetros como la densidad de corriente de deposición, el potencial, la composición del electrolito y la temperatura, el espesor, la morfología (p. ej., nanohojas, estructuras porosas) y la composición química (p. ej., dopaje con Fe o Mn) de la capa catalítica pueden adaptarse con precisión para optimizar el rendimiento.

Una técnica especializada de electrodeposición — el método de la plantilla dinámica de burbujas de hidrógeno (DHBT)— consiste en aplicar una corriente elevada para generar burbujas de hidrógeno en la superficie del cátodo, que actúan como plantillas dinámicas. Esto permite la fabricación en un solo paso de capas porosas de níquel con canales a escala micrométrica y paredes de poros a escala nanométrica, lo que aumenta significativamente la superficie electroquímicamente activa al tiempo que favorece la liberación de burbujas.

Parámetro clave: espesor de la malla de níquel ≤ 0,3 mm

El espesor de la malla de níquel influye directamente en el rendimiento general del electrolizador. Por un lado, aumentar el espesor del electrodo —por ejemplo, apilando varias capas— puede, en teoría, aumentar la carga de catalizador y los sitios de reacción disponibles. Sin embargo, tanto los resultados experimentales como los de simulación indican que existe un espesor óptimo; un espesor mayor no siempre es mejor.

A altas densidades de corriente (por ejemplo, 800 mA cm⁻²), los electrodos excesivamente gruesos agravan la acumulación de burbujas en el interior de los poros, lo que provoca un deterioro del transporte de masa y un aumento del sobrepotencial. Las investigaciones han demostrado que, en el caso de catalizadores con pendientes de Tafel bajas —como el NiFeOₓ—, el espesor óptimo del electrodo para alcanzar el máximo rendimiento es, de hecho, menor.

Por lo tanto, se recomienda un espesor de malla de níquel ≤ 0,3 mm. Este rango proporciona suficiente resistencia mecánica y superficie activa, al tiempo que acorta eficazmente las trayectorias de difusión del gas, minimiza la retención de burbujas y mantiene un sobrepotencial bajo y una excelente estabilidad incluso a altas densidades de corriente. Por ejemplo, un electrodo de nanomalla de níquel de 4 μm de espesor superó significativamente a una espuma de níquel comercial de 1,6 mm en pruebas de electrólisis alcalina.

Influencia de los parámetros estructurales en el rendimiento catalítico

Más allá del espesor, los parámetros específicos de tejido de la malla de níquel afectan directamente a su comportamiento electroquímico:

Tamaño de la malla (número de mallas): se refiere al número de aberturas por pulgada. Un mayor número de mallas implica diámetros de alambre más finos y poros de menor tamaño. Para aplicaciones de OER, debe alcanzarse un equilibrio entre el área superficial específica y la eficiencia de transferencia de masa. Aumentar moderadamente el número de mallas puede aumentar la superficie específica, pero un número excesivamente alto (poros excesivamente pequeños) puede provocar la obstrucción por burbujas, lo que aumenta la resistencia al transporte de masa. El tamaño de malla adecuado debe seleccionarse en función de la densidad de corriente de funcionamiento.

Diámetro del alambre y tamaño de los poros: Los diámetros de alambre más finos y una distribución razonable del tamaño de los poros contribuyen a aumentar la superficie electroquímicamente activa, al tiempo que facilitan la humectación del electrolito y la evolución de gas.

Tipo de tejido: El tejido liso es el más habitual y ofrece una buena estabilidad estructural; el tejido de sarga proporciona una mayor flexibilidad. La elección debe basarse en el proceso posterior de deposición del catalizador y en los requisitos de la aplicación.

Productos y ejemplos de aplicación

En la investigación práctica, se han depositado con éxito diversos catalizadores de OER de alto rendimiento sobre malla de níquel mediante electrodeposición. Por ejemplo, la aleación de NiFeMn y su catalizador compuesto de hidróxido se hicieron crecer in situ sobre una malla de níquel mediante un proceso de electrodeposición en un solo paso, alcanzando una densidad de corriente de 10 mA cm⁻² con un sobrepotencial de tan solo 241 mV en KOH 1,0 M, al tiempo que se demostró una excelente estabilidad a alta densidad de corriente en condiciones industriales simuladas (KOH 6,0 M, 90 °C). En otro estudio se fabricó un electrodo compuesto amorfo/cristalino de CoFe/Ni/NM sobre una malla de níquel mediante electrodeposición, que proporcionó un sobrepotencial de tan solo 235 mV a 10 mA cm⁻² y mantuvo un funcionamiento estable durante más de 72 horas. Estos resultados confirman la eficiencia y la fiabilidad de la malla de níquel como sustrato para catalizadores de OER.

Para estas aplicaciones, Stanford Advanced Materials (SAM) ofrece la malla de níquel, un producto de alto rendimiento con una pureza ≥ 99,5 %. Disponible en una amplia gama de tamaños de malla, desde 10 hasta 400, con especificaciones de grosor y apertura personalizables para satisfacer requisitos específicos, constituye un material de sustrato ideal para la preparación de electrodos catalíticos de OER de alto rendimiento mediante electrodeposición.

Referencias

1. Hou, Y., et al. Síntesis por electrodeposición en un solo paso de compuestos de aleación de NiFeMn y su hidróxido como catalizador bifuncional eficiente para la división del agua. ScienceDirect, 2025.
2. Tsuburaya, K., et al. Optimización de sustratos porosos para una electrólisis del agua eficiente. ACS Figshare, 2024.
3. Hou, Y., et al. Deposición electrolítica de óxido/hidróxido de CoFe amorfo sobre malla de níquel como electrocatalizador altamente eficiente para la reacción de evolución de oxígeno. ScienceDirect, 2024.
4. Ishino, S., et al. Relación entre la forma del electrodo de malla de tejido liso y el rendimiento de la OER/HER. IOPscience, 2025.
5. Electrodos de nanomalla independientes de micras de espesor que superan en 100 veces la densidad de corriente. ScienceDirect, 2022.