Los científicos han hecho un descubrimiento importante que dicen que "rompe el cuello de botella" en el proceso de extracción de hidrógeno del agua a través de la electrólisis, un descubrimiento que combina el uso del aprendizaje automático para hacer que la electrólisis del agua sea más eficiente.
El equipo de científicos, dirigido por Jason Xu Zhichuan, profesor asociado de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), en Singapur, ha estado estudiando una clase de catalizadores de hidrógeno de bajo costo llamados óxidos de espinela.
Típicamente hechos de metales de transición baratos, los óxidos de espinela han ganado recientemente interés como un catalizador de hidrógeno potencialmente estable y de bajo costo que teóricamente podría reducir la pérdida de energía en la reacción química electrolítica que extrae hidrógeno del agua usando electricidad.
Sin embargo, el diseño de óxidos de espinela de alto rendimiento se ha restringido debido al hecho de que no se sabía mucho sobre cómo funcionaban exactamente. Ahora, la investigación dirigida por NTU Singapur ha logrado dos avances significativos que ayudan a arrojar luz sobre cómo funcionan los óxidos de espinela. En primer lugar, han descifrado, a escala atómica, cómo funcionan los óxidos de espinela para acelerar la electrólisis del agua. En segundo lugar, el equipo utilizó el aprendizaje automático combinado con su nuevo conocimiento para seleccionar nuevos óxidos de espinela que aumentaron la actividad catalítica y, a su vez, hicieron que la electrólisis del agua fuera más eficiente.
"Para mejorar el rendimiento de los óxidos de espinela, necesitamos una comprensión más profunda de cómo funcionan como catalizadores para hacer que la electrólisis del agua sea más eficiente", dijo el profesor asociado Xu de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Materiales de NTU .
"Ahora, al identificar los parámetros que hacen que los óxidos de espinela sean buenos catalizadores para este proceso, podemos crear nuevos y mejores óxidos de espinela basados en estos parámetros, acercándonos un paso más a una economía impulsada por hidrógeno".
El impulso hacia una economía impulsada por el hidrógeno ha aumentado en los últimos años, gracias en gran parte al desarrollo de más proyectos de "hidrógeno verde": proyectos de producción de hidrógeno impulsados y combinados con proyectos de energía renovable como la eólica y la solar. Estos proyectos de 'hidrógeno verde' usan la electricidad renovable generada para impulsar el proceso de electrólisis, creando un combustible verde con pocas o ninguna emisión involucrada en el proceso de producción.
Más allá de la idea de que el hidrógeno se use para vehículos comerciales y de pasajeros, especialmente vehículos comerciales de larga distancia, y como sustitutivo de los combustibles de aviación tradicionales, el hidrógeno también podría servir como una alternativa viable a las baterías para el almacenamiento energético.
Uno de los obstáculos para el aumento generalizado del hidrógeno es el cuello de botella creado en las dos reacciones químicas primarias que tienen lugar en el proceso electrolítico: una, que resulta en la producción de hidrógeno, la otra, que conduce a la producción de oxígeno, las dos se mantienen separadas por una membrana. Según el profesor Xu, el cuello de botella que intentaron romper es la reacción química que conduce a la generación de oxígeno desde el otro lado, conocida como reacción de evolución de oxígeno.
"La reacción de evolución del oxígeno es crítica para la eficiencia de los dispositivos que dividen el agua para producir combustible de hidrógeno, pero también es una reacción química lenta que reduce la eficiencia general de la conversión de energía", explicó el profesor Xu. "Es por eso que necesitamos catalizadores como los óxidos metálicos para acelerar las cosas", explica.
Los óxidos de metales preciosos han demostrado ser catalizadores electrolíticos de última generación, reduciendo el consumo de energía y mejorando la eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, al igual que con la producción de baterías de iones de litio, la escasez de estos metales preciosos, su alto costo y su baja durabilidad, han limitado su aplicación a gran escala, lo que dificulta el desarrollo de la producción de hidrógeno a mayor escala.
Los óxidos de espinela, con su bajo costo y abundante disponibilidad, presentan una alternativa viable potencial para reducir los costos y aumentar la eficiencia. Sin embargo, estos óxidos de espinela deben diseñarse con los parámetros correctos, como el tipo de metal de transición en el óxido de espinela, para aumentar la actividad catalítica.
El equipo liderado por NTU de Singapur, con su nuevo conocimiento de los óxidos de espinela, probó un modelo de aprendizaje automático con un conjunto de datos de más de 300 óxidos de espinela para detectar y predecir la eficiencia de cualquier catalizador de óxido de espinela en cuestión de segundos. Este método permitió al equipo encontrar un nuevo óxido que comprende manganeso y aluminio que predijo que mostraría una actividad catalítica superior, una predicción que se validó experimentalmente.
"Si bien la capacidad de diseñar catalizadores altamente eficientes impulsa en gran medida la técnica de la electrólisis del agua en la producción de hidrógeno, hay otros dos cuellos de botella importantes que debemos analizar antes de que sea posible la adopción generalizada de esta técnica", dijo el profesor Xu. “En primer lugar, tenemos que mejorar la membrana en tales electrolizadores alcalinos para apoyar la producción de hidrógeno a largo plazo. Y cuando se haya terminado, entonces podremos trabajar con nuestros colegas de ingeniería para ver cómo podemos poner todas estas actualizaciones en un electrolizador que pueda funcionar a nivel industrial".
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