Hidrógeno: gran avance en los electrolizadores de membrana alcalina
Un equipo de la Universidad Técnica de Berlín, HZB, IMTEK (Universidad de Friburgo) y Siemens Energy ha logrado desarrollar un electrolizador de membrana alcalina que se acerca al rendimiento de los electrolizadores PEM ya establecidos. La particularidad: El catalizador del ánodo está formado por compuestos de níquel de bajo coste y no por iridio. En BESSY II, el equipo pudo aclarar en detalle los procesos catalíticos. En Friburgo se construyeron prototipos de células con un nuevo proceso de recubrimiento y se probaron en funcionamiento.
El hidrógeno está llamado a desempeñar un papel fundamental en el sistema energético del futuro, como almacén de energía, combustible y valiosa materia prima para la industria química. Esto se debe a que el hidrógeno puede producirse de forma prácticamente neutra para el clima mediante la electrolización del agua, siempre que se haga utilizando electricidad procedente del sol o del viento. En la actualidad, el despegue de la economía verde del hidrógeno viene determinado en gran medida por dos sistemas: la electrólisis de membrana conductora de protones (PEM) y la electrólisis alcalina clásica. Los electrolizadores AEM combinan las ventajas de ambos sistemas y, por ejemplo, no requieren metales preciosos raros como el iridio.
Ahora, equipos de investigación de TU Berlín y HZB, junto con el Instituto de Ingeniería de Microsistemas (IMTEK) de la Universidad de Friburgo y Siemens Energy, han presentado por primera vez un electrolizador que produce hidrógeno de forma casi tan eficiente como un electrolizador PEM. En lugar de iridio, utilizaron compuestos de doble hidróxido de níquel con hierro, cobalto o manganeso y desarrollaron un proceso para recubrir directamente con ellos una membrana alcalina de intercambio iónico.
Durante la electrólisis en la célula, pudieron realizar mediciones operando en la fuente de rayos X berlinesa BESSY II en la estación final LIXEdrom. Un equipo teórico de Singapur y Estados Unidos ayudó a interpretar los datos experimentales. "Esto nos permitió dilucidar los procesos catalítico-químicos relevantes en la membrana recubierta de catalizador, en particular la transición de fase de una fase alfa catalíticamente inactiva a la fase gamma altamente activa y el papel que desempeñan en la catálisis los distintos ligandos O y los centros Ni4+", explica el profesor Peter Strasser, de la TU de Berlín. "Sólo esta fase gamma hace que nuestro catalizador sea competitivo con los actuales catalizadores de última generación fabricados con iridio. Nuestro trabajo muestra importantes similitudes con el iridio en el mecanismo catalítico, pero también diferencias moleculares completamente sorprendentes."
De este modo, el estudio ha ampliado considerablemente la comprensión de los mecanismos fundamentales de catálisis de los nuevos materiales de electrodos basados en el níquel. Además, el nuevo proceso de recubrimiento del electrodo de membrana promete una gran escalabilidad. La primera célula pequeña totalmente funcional ya se ha probado en IMTEK. El trabajo sienta así las bases para la evaluación industrial y demuestra que un electrolizador de agua AEM también puede ser altamente eficiente.
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Publicación original
M. Klingenhof, H. Trzesniowski, S. Koch, J. Zhu, Z. Zeng, L. Metzler, A. Klinger, M. Elshamy, F. Lehmann, P. W. Buchheister, A. Weisser, G. Schmid, S. Vierrath, F. Dionigi, P. Strasser; "High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands"; Nature Catalysis, 2024-10-28
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