Hidrógeno verde sin iridio: un salto cuántico en la producción de energía limpia

El hidrógeno se perfila como un vector químico y energético prometedor para descarbonizar nuestra sociedad. A diferencia de los combustibles convencionales, el uso del hidrógeno como combustible no genera dióxido de carbono. Sin embargo, la mayoría del hidrógeno que se produce actualmente proviene del metano, un combustible fósil, a través de un proceso conocido como reformado de metano, el cual genera una cantidad sustancial de emisiones de dióxido de carbono.

La electrólisis del agua se presenta como una solución viable para generar hidrógeno verde, utilizando energías renovables y electricidad limpia. Este proceso necesita catalizadores de cátodo y ánodo para acelerar las reacciones de descomposición y recombinación del agua en hidrógeno y oxígeno, respectivamente.

Hasta la fecha, la electrólisis del agua—y en particular la tecnología PEM—ha requerido catalizadores basados en elementos escasos y raros, como el platino y el iridio. Estos compuestos son algunos de los pocos que combinan la actividad y estabilidad necesarias en el ambiente químico riguroso impuesto por esta reacción. Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más escasos de la Tierra.

Avance

En la búsqueda de soluciones, un equipo multidisciplinario de científicos ha dado un paso crucial al desarrollar una nueva forma de conferir actividad y estabilidad a un catalizador sin iridio, aprovechando propiedades del agua hasta ahora inexploradas. El nuevo catalizador logra, por primera vez, estabilidad en la electrólisis de agua PEM en condiciones industriales sin el uso de iridio.

El equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) junto con sus colaboradores, ha ideado un nuevo enfoque en el diseño de catalizadores sin iridio, logrando actividad y estabilidad en medios ácidos utilizando cobalto, un material mucho más abundante y económico. El proceso consiste en un método de deslaminación que intercambia parte del material por agua, creando un catalizador que se presenta como una alternativa viable a los basados en iridio.

Para obtener este catalizador, el equipo trabajó con óxido de cobalto-tungsteno (CoWO4). Diseñaron un proceso de deslaminación en soluciones acuosas básicas, eliminando los óxidos de tungsteno y reemplazándolos con agua y grupos hidroxilo. Este proceso se puede ajustar para incorporar diferentes cantidades de agua y OH- en el catalizador, que luego se incorpora en los electrodos de ánodo.

Los investigadores pudieron evaluar la presencia de agua atrapada y grupos hidroxilo, y entender su papel en la actividad y estabilidad del catalizador para la descomposición del agua en condiciones ácidas. Este nuevo conocimiento permitió al equipo trabajar estrechamente con expertos en modelado de catalizadores, comprendiendo cómo los materiales deslaminados protegidos por agua no solo están termodinámicamente protegidos contra la disolución, sino que también son altamente activos.

Rendimiento

El rendimiento inicial del catalizador deslaminado en un reactor PEM fue notable, logrando una mayor actividad y estabilidad que cualquier trabajo previo, alcanzando una densidad de corriente de 1 A/cm² y más de 600 horas de estabilidad. Estos resultados representan un gran paso hacia la producción de hidrógeno verde sin depender de elementos escasos como el iridio.

El equipo ha visto tanto potencial en esta técnica que ya han solicitado una patente, con el objetivo de escalar la producción a niveles industriales. Sin embargo, son conscientes de los desafíos que esto implica. “El cobalto, aunque más abundante que el iridio, sigue siendo problemático por su origen. Por eso estamos trabajando en alternativas basadas en manganeso, níquel y otros materiales,” señala el Prof. García de Arquer.

A pesar de los desafíos futuros, el equipo está convencido del potencial de este proceso de deslaminación y están decididos a seguir avanzando en esta dirección. “Siempre he querido avanzar en las energías renovables porque ayudará a nuestra comunidad humana a luchar contra el cambio climático. Creo que nuestros estudios han contribuido con un pequeño paso en la dirección correcta,” concluye Ranit Ram, primer autor del estudio.