Durante la deposición química en fase vapor, crecen nanofibras de carbono recubiertas con partículas de óxido de hierro o níquel sobre la superficie de las láminas de MXene
Crédito: GPAI
Por Shiv Singh
Sciencex.com/27/10/2026
Editado por Lisa Lock , revisado por Robert Egan.
La esencia
Generar hidrógeno sin liberar dióxido de carbono parece sencillo: hacer pasar electricidad a través del agua, separar las moléculas de agua y generar hidrógeno verde. La dificultad reside en el electrocatalizador. Los mejores se basan en platino, rutenio e iridio, que son escasos y caros. Queríamos saber si una pequeña cantidad de óxidos de hierro y níquel, anclados en nanofibras de carbono cultivadas mediante deposición química de vapor de la forma adecuada sobre el soporte correcto, podría cumplir la misma función. Nuestros resultados se publican en ACS Applied Nano Materials .
La mayor parte del hidrógeno actual proviene de combustibles fósiles. La gasificación del carbón y el reformado con vapor del gas natural abastecen aproximadamente el 96 % del mercado. La producción de 1 kilogramo de hidrógeno gris libera unos 10 kilogramos de dióxido de carbono, mientras que la de hidrógeno azul libera unos 6 kg. El hidrógeno verde, producido mediante la disociación del agua, evita estas emisiones. La disociación del agua consta de dos semirreacciones: la reacción de desprendimiento de oxígeno en el ánodo y la reacción de desprendimiento de hidrógeno en el cátodo. Ambas requieren un electrocatalizador para funcionar a voltajes prácticos.
Nuestro andamio es Ti₃C₂Tₓ MXene , un material bidimensional que conduce la electricidad de manera eficiente. Las láminas de MXene tienden a oxidarse y apilarse, lo que aumenta la resistencia. Abordamos este problema cultivando nanofibras de carbono directamente sobre las láminas. Mezclamos el MXene con un precursor de hierro o níquel, lo secamos y lo calentamos bajo nitrógeno a 400 °C (752 °F). Luego, elevamos la temperatura a 720 °C (1328 °F) y alimentamos con acetileno como fuente de carbono durante dos horas, realizando una deposición química de vapor para cultivar nanofibras de carbono. Las partículas de óxido metálico se ubican en la punta de cada fibra en crecimiento, un proceso llamado crecimiento de punta. Denominamos a los dos productos FeO-CNF@MX y NiO-CNF@MX.
La microscopía electrónica reveló fibras que crecían a través de las láminas de MXene, cada una recubierta con una partícula de óxido metálico. La difracción de rayos X y la espectroscopia Raman demostraron que la estructura laminar del MXene se mantuvo tras la síntesis. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X confirmó que las partículas de óxido estaban ancladas a las láminas. El compuesto a base de níquel presentaba un carbono más grafítico y menos defectuoso, con una relación de defectos Raman de 0,40 frente a 0,68 para el compuesto a base de hierro.
"El cultivo de las fibras directamente sobre las láminas de MXene nos proporcionó una estructura conductora y una gran cantidad de sitios activos accesibles."
Probamos ambos materiales en hidróxido de potasio 1 M. Anclar las fibras sobre MXene mejoró el rendimiento de todos los catalizadores en comparación con las fibras solas. Para la evolución de hidrógeno, NiO-CNF@MX necesitó un sobrepotencial de 490 mV para alcanzar 10 mA/cm². FeO-CNF@MX necesitó 520 mV. Las fibras sin MXene necesitaron 570 y 550 mV, respectivamente.
Para la evolución de oxígeno , el NiO-CNF@MX necesitó 300 milivoltios y el FeO-CNF@MX, 360 milivoltios. El compuesto de níquel se situó a menos de 50 milivoltios del óxido de rutenio de referencia, que necesitó 250 mV. La resistencia a la transferencia de carga también fue ligeramente inferior para el compuesto de níquel, con 15,5 ohmios frente a 16,5 para el hierro.
Al colocar el mismo material en ambos electrodos de un pequeño prototipo de electrolizador, se modificó la clasificación. El compuesto de hierro alcanzó 10 mA/cm² a 2,2 V, mientras que el compuesto de níquel necesitó 2,7 V. Creemos que los centros de hierro ayudan a estabilizar los intermedios reactivos de oxígeno, lo que acelera la evolución del oxígeno en la celda completa. Durante una prueba de 24 horas, el voltaje de la celda varió solo entre 0,2 y 0,3 V para ambos materiales. El compuesto de níquel varió ligeramente menos, de 2,38 a aproximadamente 2,6 V, frente a los 2,4 a 2,7 V del compuesto de hierro.
Estos catalizadores aún no igualan al platino, que alcanzó 10 mA/cm² con un sobrepotencial de 70 mV para la evolución de hidrógeno. Nuestros resultados demuestran que una ruta sencilla y escalable permite convertir óxidos metálicos de bajo costo en catalizadores eficaces para ambas semirreacciones. El compuesto de hierro mostró una mayor actividad inicial en la celda completa, mientras que el compuesto de níquel presentó un rendimiento más estable a largo plazo.
Esta historia forma parte de Science X Dialog , una iniciativa donde los investigadores pueden compartir los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visita esta página para obtener más información sobre Science X Dialog y cómo participar.
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Más información
Manish Chauhan et al., Diseño racional de nanointerfaces jerárquicas de nanofibras de carbono-MXene cultivadas in situ con nanoarquitecturas de óxido de hierro-níquel para electrocatálisis bifuncional, ACS Applied Nano Materials (2026). DOI: 10.1021/acsanm.6c03453
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¿Quién está detrás de esta historia?
Lisa Lock: Licenciada en Historia del Arte, Máster en Cultura Material. Exeditora de museo, paramédica y coordinadora de trasplantes. Editora de Science X desde 2021. Perfil completo →
Robert Egan: Licenciada en biología matemática, máster en escritura creativa. Ha viajado mucho y posee perspectivas únicas sobre la ciencia y el lenguaje. Perfil completo →
Shiv Singh es Científico-D y Profesor Adjunto en CSIR–AMPRI, Bhopal, India. Su investigación se centra en materiales de carbono funcionales, electrocatálisis, conversión de energía limpia, utilización de CO₂ , generación de hidrógeno y remediación ambiental. Como investigador principal de proyectos financiados por DST y DBT, investiga la conversión bioelectroquímica de CO₂ , sistemas electroquímicos microbianos y la disociación del agua, además de explorar electrodos derivados de residuos y sensores electroquímicos.
Ha publicado en revistas de prestigio, cuenta con patentes y es miembro de la Real Sociedad de Química. Desempeña funciones editoriales en diversas revistas internacionales y recibió el Premio Springer Nature al Servicio de Autores en 2025. Mediante la investigación multidisciplinaria y la mentoría, desarrolla soluciones escalables para los desafíos energéticos y ambientales globales.
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