¡Marcha del hidrógeno! El vector energético del futuro se obtiene en LIKAT a partir de un simple éster

Un comienzo inesperadamente potente

28.06.2023 - Alemania

En los conceptos de energía sostenible, el hidrógeno (_H2) se considera uno de los favoritos. El gas es volátil y explosivo, por lo que laboratorios de química de todo el mundo exploran formas de almacenarlo. En la revista NATURE CATALYSIS, un grupo dirigido por el Dr. Henrik Junge, del LIKAT de Rostock (Alemania), propone el éster metílico del ácido fórmico, el formiato de metilo, como almacenamiento alternativo de hidrógeno. En sus investigaciones, esta sustancia demostró ser un potente complemento de dos medios químicos conocidos de almacenamiento de _H2: el ácido fórmico y el metanol. Y en un aspecto, el formiato de metilo deja a los dos sorprendentemente muy atrás: en la rapidez con la que esta sustancia libera de nuevo el hidrógeno. Especialmente en la primera fase de la reacción.

El formiato de metilo, éster metílico del ácido fórmico, es uno de los productos químicos más importantes del mundo, con una producción anual de unos seis millones de toneladas métricas. Se utiliza, por ejemplo, como disolvente para grasas y resinas acrílicas, como refrigerante y también como etapa intermedia en síntesis en química orgánica. Todavía se produce a alta presión a partir de materias primas fósiles como el metanol y el monóxido de carbono.

Uso en un ciclo_{neutro de CO2}

Pero ya existen métodos sostenibles para su producción, a saber, utilizando catalíticamente el_CO2 del aire, el hidrógeno y el metanol, que también puede producirse_{a base de CO2} desde hace mucho tiempo. "Así pues, nuestra propuesta de almacenar químicamente el hidrógeno en formiato de metilo es_neutra desde el punto de vista del CO2 y cumple los criterios de una economía circular", afirma el Prof. Dr. Matthias Beller, director de LIKAT y uno de los autores principales del artículo de NATURE CATALYSIS. Esto se debe a que la liberación del hidrógeno sólo produce en última instancia la misma cantidad de_CO2 que se utilizó previamente para su almacenamiento en el formiato de metilo.

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En una economía energética climáticamente neutra, el almacenamiento químico del hidrógeno es recomendable allí donde el viento y el sol son fuentes renovables que producen energía eléctrica de forma sostenible pero intermitente y, sobre todo, independientemente de la demanda. El "excedente" de electricidad produce hidrógeno "verde" mediante electrólisis, que se transforma catalíticamente con fines de almacenamiento. Cuando se necesita, el hidrógeno vuelve a liberarse químicamente del almacenamiento para alimentar pilas de combustible u otros sistemas energéticos.

Ventajas frente a los sistemas de almacenamiento anteriores

Hasta ahora, el ácido fórmico, el metanol y el amoníaco han sido las principales opciones químicas de almacenamiento de _H2. "El metanol y el amoníaco tienen un contenido de hidrógeno suficientemente alto", como explica el Dr. Henrik Junge, "pero han sido clasificados como tóxicos e inflamables por los organismos de la ONU". Y el ácido fórmico tiene una densidad de _H2 algo menor que el formiato de metilo, que también es una sustancia no tóxica cuya manipulación no plantea problemas, añade.

Hace quince años, los químicos del LIKAT consiguieron por primera vez obtener hidrógeno a partir de ácido fórmico a bajas temperaturas, hasta la temperatura ambiente. Esto prácticamente abrió el camino al almacenamiento químico práctico de esta sustancia básica y dio un impulso significativo a la investigación en este campo en todo el mundo. Dr. Junge: "En la búsqueda de otras fuentes de _H2, era obvio ver hasta qué punto el formiato de metilo, que se forma a partir del ácido fórmico y el metanol por desdoblamiento del agua, también sería adecuado como medio de almacenamiento". Sólo que nadie lo había hecho aún.

Un comienzo inesperadamente potente

La liberación de hidrógeno a partir de una mezcla de metilformato y agua es químicamente una deshidrogenación. En LIKAT, ésta tiene lugar en el reactor a presión en presencia de un catalizador de rutenio. La cantidad de hidrógeno gaseoso producido puede leerse con precisión a partir de la presión generada en el reactor.

En las condiciones de la serie de pruebas, el ácido fórmico liberó el hidrógeno mucho más lentamente. Dr. Junge: "Con metanol acuoso, la liberación es un poco más rápida, pero pronto se detiene al establecerse el equilibrio químico". En la mezcla de metilformiato y agua, sin embargo, la presión se disparó inmediata y significativamente. "Esto fue sorprendente y básicamente sólo podía explicarse si atribuíamos a la reacción un mecanismo desconocido hasta entonces".

El formiato de metilo liberó hidrógeno 20 veces más rápido que el metanol y cinco veces más rápido que el ácido fórmico. Estos valores tienen consecuencias para la práctica posterior. Dice el Dr. Junge: "Si tu proceso puede proporcionar un portador de energía 20 veces más rápido de lo habitual, puedes, por ejemplo, planificar tu planta para que sea correspondientemente más pequeña o abastezca a más usuarios de lo previsto." Los químicos del LIKAT están asegurando su reivindicación de relevancia práctica mediante la cooperación con el Grupo APEX, una empresa de Rostock-Laage especializada en tecnologías del hidrógeno. Como resultado, se han presentado dos patentes.

En busca del mecanismo

"Quien presenta valores tan sorprendentes también debe ser capaz de descubrir el mecanismo molecular que hay detrás", como dice el Dr. Junge. El grupo discutió sus hallazgos con teóricos del LIKAT. Sus cálculos de las reacciones impulsaron a su vez nuevos experimentos de laboratorio.

El grupo hizo investigar los productos intermedios de la reacción, los llamados intermedios, mediante RMN y análisis de estructuras de rayos X, entre otros métodos. Esta parte fue responsabilidad de la Dra. Elisabetta Alberico, del Instituto de Investigación de Química y Biología Molecular de Sassari (Cerdeña), que fue científica invitada en el LIKAT de Rostock. Consiguió identificar las especies del ciclo catalítico que aceleran la liberación de _H2 y desempeñan un papel decisivo en la reacción en otros aspectos, hallazgos que a su vez son necesarios a la hora de optimizar el proceso químico.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.