Producción de hidrógeno verde más duradera y sostenible
Los resultados repercuten en la capacidad de lograr una economía energética duradera y sostenible basada en el hidrógeno
Investigadores dirigidos por Ryuhei Nakamura, del Centro RIKEN de Ciencia de Recursos Sostenibles (CSRS) de Japón, han mejorado su método ecológico y sostenible de extracción de hidrógeno del agua utilizando un catalizador a medida para la reacción química. El estudio, publicado en Nature Catalysis, explica cómo manipularon la estructura tridimensional del catalizador, lo que mejoró su estabilidad y aumentó su vida útil en casi un 4.000%. Los hallazgos repercuten en la capacidad de lograr una economía energética duradera y sostenible basada en el hidrógeno.
Electrolizador de agua con membrana de intercambio de protones (PEM) que utiliza óxido de manganeso.
RIKEN
La electrólisis del agua mediante membranas de intercambio de protones es un proceso electroquímico ecológico para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno así producido puede almacenarse y utilizarse posteriormente. Por ejemplo, si se combina con una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM), el hidrógeno almacenado puede utilizarse para propulsar un coche eléctrico. Sin embargo, la electrólisis PEM sigue teniendo limitaciones que impiden su uso industrial generalizado, como en las centrales eléctricas. En concreto, las reacciones químicas necesarias se producen en un entorno muy ácido, y los mejores catalizadores para estas reacciones son metales de tierras extremadamente raras, como el iridio. Como explica Nakamura, "ampliar la electrólisis PEM a escala de teravatios requeriría 40 años de iridio, lo que es ciertamente poco práctico y muy poco sostenible".
Hace casi dos años, Nakamura y su equipo desarrollaron un proceso revolucionario que permitía la electrólisis del agua ácida sin depender de metales de tierras raras. Insertando manganeso en una red de óxido de cobalto, crearon un proceso que sólo dependía de metales terrestres comunes y sostenibles. A pesar del éxito, el proceso aún no era todo lo estable que debe ser en un electrolizador PEM. Ahora, se han basado en su descubrimiento anterior y han desarrollado un catalizador con abundancia de tierras más duradero.
El nuevo catalizador es una forma de óxido de manganeso (MnO2). El hallazgo clave fue que la estabilidad de la reacción podía aumentarse más de 40 veces alterando la estructura reticular del catalizador. En la estructura tridimensional del óxido de manganeso, el oxígeno presenta dos configuraciones: planar y piramidal. La versión planar forma enlaces más fuertes con el manganeso, y los investigadores descubrieron que aumentar la cantidad de oxígeno planar en la red mejoraba significativamente la estabilidad catalítica.
Probaron cuatro óxidos de manganeso diferentes, que variaban en el porcentaje de oxígeno planar. Cuando se utilizó la versión con el mayor porcentaje alcanzable, el 94%, la reacción crítica de evolución del oxígeno pudo mantenerse en ácido durante un mes a 1000 mA/cm2. La cantidad total de carga transferida en este caso fue 100 veces superior a la observada en estudios anteriores.
Cuando se probó en un electrolizador PEM, la electrólisis del agua pudo mantenerse durante unas 6 semanas a 200 mA/cm2. La cantidad total de agua electrolizada en este periodo, y por tanto la cantidad de hidrógeno producido, fue 10 veces superior a la que se había conseguido en el pasado con otros catalizadores de metales no raros. Sorprendentemente", afirma Shuang Kong, coautor del estudio, "la mejora de la estabilidad no se tradujo en una reducción de la actividad, como suele ocurrir". Un electrolizador de agua PEM que genera hidrógeno con un catalizador con abundancia de tierras a una tasa de 200 mA/cm2 es altamente eficiente."
Aún queda trabajo por hacer. Las aplicaciones industriales suelen requerir una densidad de corriente estable de 1000 mA/cm2 que dure varios años, en lugar de un mes. No obstante, los investigadores creen que acabarán siendo posibles aplicaciones tangibles en el mundo real que contribuyan a la neutralidad del carbono. "Seguiremos modificando la estructura del catalizador para aumentar tanto la densidad de corriente como su vida útil", afirma Nakamura. "A largo plazo, nuestros esfuerzos deberían ayudar a alcanzar el objetivo último para todas las partes interesadas: llevar a cabo la electrólisis del agua PEM sin utilizar iridio".
Mientras tanto, los investigadores esperan que sus hallazgos despierten un mayor interés público por la producción sostenible de hidrógeno como solución realista para frenar el cambio climático relacionado con los combustibles fósiles.
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.
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