Modelos más económicos para producir hidrógeno verde. El actual cambio climático plantea una grave amenaza para la humanidad, afecta la vida de todos y requiere medidas para implementar una economía energética más sostenible. La producción de energía «verde» es un ingrediente crucial en la fórmula para lograr este objetivo.
Buscando soluciones verdes
Sin embargo, la producción de energía debe ir acompañada de métodos económicos de almacenamiento y transporte. El hidrógeno verde (H2) sirve a la vez como medio de almacenamiento y medio de transporte, también cuando se convierte en otros productos industriales útiles o portadores de energía como el amoníaco.
Puede producirse por electrólisis mediante la descomposición de moléculas de agua con electricidad producida a partir de fuentes de energías renovables. En la celda electrocatalítica, el hidrógeno molecular se genera en el cátodo, mientras que el ánodo produce oxígeno molecular (O2).
La producción de O2 en el ánodo es un proceso complejo de varios pasos, lo que dificulta el diseño de ánodos energéticamente eficientes. Como resultado, la mayor parte de las investigaciones sobre la división del agua se centran en el ánodo y no en el cátodo.
En los electrolizadores reales, los ánodos poseen composiciones químicas y morfologías intrincadas. Lo que impide la comprensión fundamental de los procesos de electrólisis, que es muy necesaria para su posterior optimización.
Encontrar datos relevantes puede resultar difícil, como encontrar una aguja en un pajar. Para abordar esto, los científicos del Departamento de Ciencias de la Interfaz del FHI han implementado un enfoque experimental que sustituye el ánodo complejo por un sistema precatalizador modelo más simple.
Un precatalizador ayuda mucho
En este enfoque, el precatalizador del ánodo es una fina película de óxido cristalino bien definida. Lo que permite variaciones controladas en su composición y estructura iniciales. Para garantizar la pureza, los ánodos se preparan en condiciones de vacío ultraalto. Y todos los estudios posteriores se realizan en el mismo sistema de caracterización experimental sin exponer las muestras al aire ambiental.
Esta estricta metodología protege el ánodo de la contaminación durante todo el experimento, evitando cualquier efecto adverso en los datos experimentales. Conocer las propiedades del ánodo con detalle atómico es un aspecto central del método.
El objetivo principal es investigar aspectos centrales de la catálisis de división del agua, incluidos detalles microscópicos mecanicistas del O2, reacción de formación, los sitios activos, el envejecimiento del electrodo y el papel de la estructura y composición de la superficie del ánodo para el rendimiento de división del agua.
Más específicamente, es bien conocido en la literatura que se forma una capa de oxihidróxido sobre la superficie del catalizador en condiciones operativas, pero aún se desconocen las características de esta capa y la estructura, espesor y composición óptimos.
Sin embargo, se reconoce que se está produciendo una transformación estructural unificadora durante el proceso de producción del O2, independientemente de la estructura inicial previa al catalizador. Por otro lado, y como se describe en la presente contribución, las características específicas del ánodo pre-catalizador determinan la transformación que tiene lugar durante la operación y en última instancia la actividad y estabilidad a largo plazo del electrocatalizador.
Un poco de hierro al asunto
Es bien sabido que añadir hierro a los ánodos de óxido de cobalto mejora significativamente su rendimiento, aunque el mecanismo subyacente aún está bajo discusión. Obtener una comprensión integral del papel específico de la adición de hierro es crucial para optimizar los procesos de división del agua.
Para lograr este objetivo, llevamos a cabo un estudio sobre ánodos cristalinos de óxido de película delgada mixtos, explorando varias relaciones Co:Fe. La estructura plana y bien definida del ánodo nos permitió establecer una relación cuantitativa entre la composición, estructura y desempeño de la formación de O2 del óxido, haciendo evidente el efecto beneficioso de la adición de hierro.
Los estudios de estabilidad revelaron además mejoras de rendimiento atribuidas a la disolución del hierro, lo que finalmente hizo converger el catalizador hacia un ánodo estable y altamente activo.
Minimizando costes de producción del hidrógeno
El estudio aborda dos aspectos pertinentes de la tecnología de división de agua. Centrándose en minimizar los costes asociados con la fabricación y operación de electrolizadores. Y hacerlo avanzando hacia condiciones de reacción alcalina y con materiales abundantes en la Tierra es de crucial importancia para una implementación generalizada de una economía energética basada en el hidrógeno.
La tecnología actual de electrolizadores utiliza metales raros, iridio y platino para una electrólisis energéticamente eficiente. La sustitución de estos costosos metales por óxidos más baratos a base de cobalto y hierro reduciría el coste general de división del agua. Aumentando el atractivo económico de este proceso.
La eficiencia eléctrica es otra consideración de costes crucial, que depende de la composición química y la morfología del electrodo. Este estudio tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de las relaciones estructura-reactividad para un diseño racional de electrocatalizador. Modelos más económicos para producir hidrógeno verde.
Esta investigación se realizó en el marco del proyecto Transregio 247 financiado por la DFG y también contó con el apoyo del proyecto CATLAB del BMBF. Los resultados de este estudio han sido publicados en Nature Communications.
