Desarrollar tecnologías que reduzcan el costo de la producción de hidrógeno verde

El hidrógeno verde, que produce hidrógeno sin el uso de combustibles fósiles o emisiones de dióxido de carbono, se ha vuelto cada vez más importante en los últimos años como parte de los esfuerzos para hacer realidad una economía libre de carbono. Sin embargo, debido al alto costo de producir equipos de electrólisis de agua que producen hidrógeno verde, la viabilidad económica del hidrógeno verde no era muy alta. Sin embargo, el desarrollo de tecnología que reduce drásticamente la cantidad de metales raros como el iridio y el platino utilizados en dispositivos de electrólisis de agua con una membrana electrolítica de polímero abre el camino para reducir los costos de producción.

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Hyun S. Park y Sung Jong Yoo del Centro de Investigación de Pilas de Combustible e Hidrógeno del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST) ha anunciado que ha desarrollado una tecnología que puede reducir significativamente la cantidad de platino e iridio, metales preciosos utilizados en la capa protectora del electrodo en dispositivos de electrólisis de agua con una membrana de polímero y electrolito, y proporcionan un rendimiento y una durabilidad comparables a los dispositivos existentes.

En particular, a diferencia de estudios anteriores que se centraron en reducir la cantidad de catalizador de iridio manteniendo una estructura que utiliza grandes cantidades de platino y oro como capa protectora del electrodo, los investigadores reemplazaron el metal noble en la capa protectora del electrodo con nitruro de hierro económico que tiene una gran área de superficie y cubierta uniformemente con una pequeña cantidad de catalizador de iridio en la parte superior, lo que aumenta en gran medida la eficiencia económica de la unidad de electrólisis.

El dispositivo de electrólisis de agua con membrana de electrolito de polímero es un dispositivo que produce hidrógeno y oxígeno de alta pureza al descomponer el agua con electricidad suministrada por energía renovable como la energía solar, y desempeña un papel en el suministro de hidrógeno a diversas industrias, como la producción de acero y productos químicos. Además, el almacenamiento de energía renovable en forma de energía de hidrógeno es beneficioso para la conversión de energía, por lo que aumentar la eficiencia económica de este dispositivo es muy importante para la implementación de la economía del hidrógeno verde.

En un dispositivo de electrólisis típico, hay dos electrodos que producen hidrógeno y oxígeno, y para un electrodo productor de oxígeno que se opera en un ambiente altamente corrosivo, la superficie del electrodo se recubre con oro o platino a razón de 1 mg/ cm² como capa protectora que garantiza la durabilidad y la eficiencia de producción y 1-2 mg/cm² el catalizador de iridio está recubierto en la parte superior. Los metales preciosos utilizados en estos dispositivos de electrólisis tienen reservas y producción muy bajas, lo que es un factor importante que dificulta la adopción generalizada de dispositivos de producción de hidrógeno verde.

Para mejorar la economía de la electrólisis del agua, el equipo reemplazó los metales raros oro y platino utilizados como capa protectora del electrodo de oxígeno en los dispositivos de producción de hidrógeno de electrolito de polímero con nitruro de hierro económico (Fe₂NORTE).

Con este fin, el equipo desarrolló un proceso compuesto que primero recubre uniformemente el electrodo con óxido de hierro, que tiene una baja conductividad eléctrica, y luego convierte el óxido de hierro en nitruro de hierro para aumentar su conductividad. El equipo también desarrolló un proceso que recubre uniformemente un catalizador de iridio con un espesor de alrededor de 25 nanómetros (nm) sobre una capa protectora de nitruro de hierro, lo que reduce la cantidad de catalizador de iridio a menos de 0,1 mg/cm²dando como resultado un electrodo con alta eficiencia y durabilidad en la producción de hidrógeno.

El electrodo desarrollado reemplaza el oro o el platino utilizados como capa protectora del electrodo generador de oxígeno con nitruros de metales base, al tiempo que mantiene un rendimiento similar al de los equipos de electrólisis comerciales existentes y reduce la cantidad de catalizador de iridio al 10 % de los niveles existentes. Además, la unidad de electrólisis con los nuevos componentes fue operada por más de 100 horas para verificar su estabilidad inicial.

“Reducir la cantidad de catalizador de iridio y desarrollar materiales alternativos para la capa de platino es esencial para el uso económico y generalizado de equipos de producción de hidrógeno verde con membrana electrolítica de polímero, y el uso de nitruro de hierro económico en lugar de platino es de suma importancia”, dijo. . Dr. Hyun S. Park de KIST. “Después de más observaciones sobre el rendimiento y la durabilidad del electrodo, lo utilizaremos en dispositivos comerciales en un futuro próximo”.

Los resultados de la investigación han sido publicados en una revista en línea Catálisis utilizada B: Ambiental.

Proporcionado por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología