Cómo extraer un combustible limpio y barato del agua. El hidrógeno puede impulsar vehículos mientras emite nada más que agua. El hidrógeno también es un químico importante para muchos procesos industriales, sobre todo en la fabricación de acero y la producción de amoníaco. El uso de hidrógeno más limpio es un objetivo de esas industrias, en camino a la sostenibilidad.
Un nuevo catalizador
Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EEUU ha desarrollado un catalizador de bajo coste que produce hidrógeno limpio a partir del agua.
“Un proceso llamado electrólisis produce hidrógeno y oxígeno a partir del agua y existe desde hace más de un siglo”, dijo Di-Jia Liu, químico senior de Argonne. También ocupa un cargo conjunto en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.
«Al usar el catalizador a base de cobalto preparado con nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del coste de producir hidrógeno verde en un electrolizador». Esto lo comentó Di-Jia Liu, químico sénior en Argonne.
Electrolizadores de membrana de intercambio de protones
Los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) representan una nueva generación de tecnología para este proceso. Pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con mayor eficiencia casi a temperatura ambiente. La demanda de energía es menor, lo que los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio mediante el uso de fuentes renovables pero intermitentes, como la energía solar y la eólica.
Este electrolizador funciona con catalizadores separados para cada uno de sus electrodos (cátodo y ánodo). El catalizador de cátodo produce hidrógeno, mientras que el catalizador de ánodo forma oxígeno. Un problema es que el catalizador del ánodo usa iridio, que tiene un precio de mercado actual muy alto. La falta de suministro y el alto costo del iridio representan una barrera importante para la adopción generalizada de electrolizadores PEM.
Cobalto por iridio
El ingrediente principal del nuevo catalizador es el cobalto, que es sustancialmente más barato que el iridio. «Buscamos desarrollar un catalizador de ánodo de bajo coste en un electrolizador PEM que genere hidrógeno a un alto rendimiento. Y con un consumo mínimo de energía», dijo Liu.
Giner Inc., una empresa líder en investigación y desarrollo que trabaja para la comercialización de electrolizadores y celdas de combustible. Y evaluó el nuevo catalizador usando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de operación industrial. El rendimiento y la durabilidad superaron con creces los de los catalizadores de la competencia.
Para seguir avanzando en el rendimiento del catalizador es importante comprender el mecanismo de reacción a escala atómica en condiciones de funcionamiento del electrolizador. El equipo descifró los cambios estructurales críticos que se producen en el catalizador en condiciones de funcionamiento mediante el uso de análisis de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en Argonne.
También identificaron características clave del catalizador utilizando microscopía electrónica en Sandia Labs y en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne. Tanto APS como CNM son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
“Tomamos imágenes de la estructura atómica en la superficie del nuevo catalizador en varias etapas de preparación”, dijo Jianguo Wen, científico de materiales de Argonne. Además, el modelado computacional en Berkeley Lab reveló información importante sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.
«En términos más generales, nuestros resultados establecen un camino prometedor para reemplazar los catalizadores hechos de metales preciosos caros con elementos que son mucho menos costosos y más abundantes», señaló Liu.
Acerca del estudio
Esta investigación se publicó Science y contó con el apoyo de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible. Así como con fondos de Investigación y Desarrollo dirigidos por Argonne Laboratory. Otros contribuyentes incluyen los Laboratorios Nacionales Sandia del DOE y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, así como Giner Inc.
Además de Liu, los autores de Argonne son Lina Chong (ahora en la Universidad Jiao Tong de Shanghai), Jianguo Wen, Haiping Xu, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu y Xiao-Min Lin. Los autores de Berkeley Lab incluyen a Guoping Gao, Haixia Li y Ling-Wang Wang. El autor de Sandia Labs es Joshua D. Sugar. Los colaboradores Zach Green y Hui Xu son de Giner Inc.
