¿Cómo se puede desglosar analíticamente la estructura molecular de la superficie del catalizador? «Para obtener un resultado válido, es fundamental observar el material durante la reacción química, es decir, in situ», subraya el autor principal, Justus Leist, doctorando del Instituto de Electroquímica. Para ello se utilizó la espectroscopia Raman amplificada por superficie (SERS). Para este método analítico específico, se aplica una fina capa del material que se va a estudiar sobre una superficie rugosa de oro. Esto potencia la interacción del material con un láser incidente. A partir de la luz reflejada se pueden extraer valiosas conclusiones sobre la estructura del material.

Un descubrimiento sorprendente obliga a realizar una corrección

Durante décadas, la opinión predominante ha sido que la superficie activa de los catalizadores de níquel durante la evolución de oxígeno está formada por oxohidróxido de níquel (NiOOH). Los investigadores de Ulm verificaron esta hipótesis mediante el marcaje isotópico. Para ello, realizaron mediciones Raman tanto en agua normal (H₂O) como en agua deuterada (D₂O). Cuando se sustituye el hidrógeno por deuterio, normalmente cambian las propiedades de oscilación de los grupos OH u OD. «Si la superficie de níquel estuviera compuesta realmente por NiOOH, tras la sustitución del isótopo de hidrógeno deberían observarse cambios característicos en los espectros Raman», afirma Leist. Sin embargo, este no fue el caso, es decir: no parece haber NiOOH en la superficie.

Los análisis electroquímicos complementarios realizados mediante voltamperometría cíclica (CV), que además se correlacionaron con cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT), permitieron extraer conclusiones sobre la composición química real de la superficie. Finalmente, se pudieron reconstruir de forma convincente los espectros observados experimentalmente.

Los científicos lograron conciliar los resultados postulados teóricamente con los medidos experimentalmente. La conclusión: en condiciones de reacción, la superficie corresponde al dióxido de níquel, es decir, NiO₂, y no a NiOOH. «Esta diferencia es fundamental desde el punto de vista químico. El NiOOH contiene átomos de hidrógeno, mientras que el NiO₂ no. Por lo tanto, también hay que reevaluar los sitios de adsorción y las vías de reacción en la superficie que se habían asumido hasta ahora», subraya el profesor de electroquímica Jacob.

Armónicos mal interpretados en los espectros de Raman

Además de la reevaluación de la superficie del níquel, el estudio también aporta importantes conocimientos fundamentales para la interpretación de los espectros Raman de los materiales catalíticos. Hasta ahora, determinadas bandas de los espectros se atribuían con frecuencia a los denominados «intermedios de reacción», es decir, a etapas intermedias de corta duración del proceso químico. 

Sin embargo, el equipo de investigación de Ulm ha podido demostrar experimentalmente que las señales se deben a un fenómeno físico que rara vez se observa en esta clase de materiales: los armónicos. «Según modelos teóricos simplificados, estas bandas suelen estar físicamente prohibidas y solo se pueden explicar mediante modelos más avanzados», explica el autor principal, Leist. A partir de nuevas mediciones realizadas en óxidos a base de cobalto y manganeso, el equipo postula que estos armónicos se producen sobre todo en materiales formados por capas bidimensionales.

El proyecto de investigación se llevó a cabo en el marco del Área de Investigación Especial 1316 «Plasmas atmosféricos transitorios: del plasma a los líquidos y a los sólidos» (dirigida por la Universidad del Ruhr de Bochum). En su subproyecto, los químicos de Ulm investigan la electrocatálisis por plasma, en la que se pueden emplear densidades de corriente y tensiones considerablemente más altas que en la electrocatálisis clásica. Esto puede utilizarse, por un lado, para la fabricación de materiales catalíticos o, directamente, para realizar mediciones catalíticas.

Publicación original: Leist, J., Neufischer, A., Jacob, T. et al.: Consecuencias de los armónicos en los espectros Raman para la asignación de estructuras superficiales del ánodo de níquel como NiO₂ durante la electrólisis alcalina, Nature Catalysis (2026), 11 de septiembre de 2026; DOI: 10.1038/s41929-026-01613-9

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