Un nuevo catalizador reduce el costo de producir hidrógeno verde a partir del agua

Mucha energía limpia acecha a simple vista. Es hidrógeno que podemos extraer del agua (H₂O) utilizando energías renovables. Los científicos están buscando formas económicas de producir hidrógeno limpio a partir del agua para reemplazar los combustibles fósiles como parte de la lucha contra el cambio climático.

El hidrógeno puede impulsar vehículos emitiendo solo agua. El hidrógeno también es un químico importante en muchos procesos industriales, especialmente en la producción de acero y amoníaco. El uso de hidrógeno más limpio es muy deseable en estas industrias.

Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado un catalizador de bajo costo para un proceso que extrae hidrógeno puro del agua. Otros contribuyentes incluyen los Laboratorios Nacionales Sandia del DOE y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, así como Giner Inc.

“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.

Las células 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. El requisito de energía reducido los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio utilizando fuentes renovables pero intermitentes, como la solar y la eólica.

Este electrolizador opera con catalizadores separados para cada uno de sus electrodos (cátodo y ánodo). El catalizador de cátodo produce hidrógeno mientras que el catalizador de ánodo produce oxígeno. El problema es que el catalizador del ánodo utiliza iridio, cuyo precio de mercado actual ronda los 5.000 dólares la onza. La falta de suministro y el alto costo del iridio es una barrera importante para el uso generalizado de electrolizadores PEM.

El componente principal del nuevo catalizador es el cobalto, que es mucho más barato que el iridio. “Intentamos desarrollar un catalizador de ánodo económico en un electrolizador PEM que genera hidrógeno a un alto rendimiento con un consumo mínimo de energía”, dijo Liu. “Al usar un catalizador a base de cobalto preparado con nuestro método, se puede eliminar un cuello de botella importante en el costo de producir hidrógeno puro en la celda”.

Giner Inc., una empresa de investigación y desarrollo dedicada a la comercialización de electrolizadores y celdas de combustible, evaluó el nuevo catalizador utilizando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de operación industrial. La eficiencia y la durabilidad superan con creces a los catalizadores de la competencia.

Para aumentar aún más la eficiencia del catalizador, es importante comprender el mecanismo de reacción a escala atómica en condiciones de funcionamiento de la celda. El equipo descifró los cambios estructurales críticos que se producen en el catalizador en condiciones de funcionamiento utilizando 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 el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) en 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 en Argonne.

Además, el modelado por computadora en Berkeley Lab proporcionó información importante sobre la estabilidad del catalizador en condiciones de reacción.

El logro del equipo es un paso adelante en la iniciativa Hydrogen Energy Earthshot del DOE, que imita el programa espacial estadounidense “Moon Shot” de la década de 1960. Su ambicioso objetivo es reducir el costo de producir hidrógeno verde a un dólar por kilogramo dentro de una década. La producción de hidrógeno verde a ese precio podría cambiar la economía del país. Las aplicaciones incluyen la red eléctrica, la fabricación, el transporte y la calefacción residencial y comercial.

«En términos más generales, nuestros resultados indican un camino prometedor para sustituir los catalizadores fabricados con metales preciosos caros por elementos que son mucho más baratos y abundantes», señaló Liu.

Este estudio fue publicado el 11 de mayo de este año. Ciencia.