La producción de hidrógeno verde con orina y aguas residuales en lugar de agua abarata los costes un 25%

Los investigadores del Consejo Australiano de Investigación y la Universidad de Adelaida han desarrollado dos sistemas únicos, rentables y energéticamente eficientes, que utilizan la urea presente en la orina y las aguas residuales para generar hidrógeno.

Estos sistemas únicos revelan nuevas vías para generar económicamente hidrógeno "verde", una fuente de energía sostenible y renovable, y el potencial para remediar los desechos nitrogenados en ambientes acuáticos.

Normalmente, el hidrógeno se genera mediante electrólisis para separar el agua en oxígeno e hidrógeno. Es una tecnología prometedora para abordar la crisis energética mundial, pero el proceso consume mucha energía, lo que lo hace prohibitivo en comparación con la extracción de hidrógeno de combustibles fósiles (hidrógeno gris), un proceso en sí mismo indeseable debido a las emisiones de carbono que genera.

A diferencia del agua, un sistema de electrólisis que genera hidrógeno a partir de urea utiliza significativamente menos energía.

A pesar de esta ventaja, los sistemas existentes basados ​​en urea enfrentan varias limitaciones, como las bajas cantidades de hidrógeno que se pueden extraer y la generación de subproductos nitrogenados indeseables (nitratos y nitritos) que son tóxicos y compiten con la producción de hidrógeno, lo que reduce aún más la eficiencia general del sistema.

Investigadores del Centro de Excelencia para la Ciencia y la Innovación del Carbono (COE-CSI) del Consejo Australiano de Investigación y la Universidad de Adelaida han desarrollado dos sistemas de electrólisis basados ​​en urea que superan estos problemas y pueden generar hidrógeno verde a un coste que, según han calculado, es comparable o más barato que el coste de producir hidrógeno gris.

La investigación de cada sistema se publicó en sendos artículos artículos en las revistas Angewandte Chemie International Edition y Nature Communications. La candidata a doctorado Xintong Gao, autora del artículo en la primera el primer autor del artículo de Angewandte Chemie International Edition pertenece al equipo de la Universidad encabezado por el investigador jefe de COE-CSI, Yao Zheng y el profesor Shizhang Qiao, subdirector e investigador jefe del COE-CSI que son de la Escuela de Ingeniería Química.

Un proceso más accesible y rentable

Producir hidrógeno a partir de urea pura no es algo nuevo, pero el equipo ha descubierto un proceso más accesible y rentable que utiliza la orina como fuente alternativa a la urea pura. "Si bien no hemos resuelto todos los problemas, si se amplían estos sistemas, los nuestros producen gas nitrógeno inocuo en lugar de nitratos y nitritos tóxicos, y cualquiera de los dos sistemas utilizará entre un 20 y un 27 por ciento menos de electricidad que los sistemas de división de agua", afirma el profesor Zheng.

Necesitamos reducir el coste de la producción de hidrógeno, pero de forma neutra en carbono. El sistema de nuestro primer artículo, si bien utiliza un sistema único sin membrana y un novedoso catalizador a base de cobre, utiliza urea pura, que se produce mediante el proceso de síntesis de amoníaco de Haber-Bosch, que consume mucha energía y libera grandes cantidades de CO2.

“Resolvimos esto utilizando una fuente verde de urea: la orina humana, que es la base del sistema examinado en nuestro segundo artículo”.

La orina o la urea también pueden provenir de aguas residuales con alto contenido de nitrógeno. Sin embargo, la orina en un sistema electrocatalítico presenta otro problema. Los iones de cloruro en la orina desencadenan una reacción que genera cloro y causa corrosión irreversible del ánodo del sistema, donde se produce oxidación y pérdida de electrones.

“En el primer sistema, desarrollamos un sistema innovador y altamente eficiente de electrólisis de urea sin membrana para la producción de hidrógeno a bajo costo. En este segundo sistema, desarrollamos un novedoso mecanismo de oxidación mediado por cloro que utiliza catalizadores a base de platino sobre soportes de carbono para generar hidrógeno a partir de la orina”, afirma el profesor Qiao.

El platino es un metal caro, precioso y finito, y su creciente demanda como material catalítico es insostenible. Una misión fundamental del Centro de Excelencia ARC para la Ciencia e Innovación del Carbono es impulsar tecnologías transformadoras de catalizadores de carbono para las industrias energética y química tradicionales.

El equipo de la Universidad de Adelaida se basará en esta investigación fundamental para desarrollar catalizadores de metales no preciosos soportados en carbono para construir sistemas de tratamiento de aguas residuales y orina sin membranas, logrando una recuperación de hidrógeno verde a menor costo y al mismo tiempo remediando el entorno de las aguas residuales.