Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha desarrollado un catalizador de bajo coste para un proceso que produce hidrógeno limpio a partir de agua, que podría hacer posible su uso en el transporte y en aplicaciones industriales..
"Un proceso llamado electrólisis produce hidrógeno y oxígeno a partir del agua y existe desde hace más de un siglo", explica Di-Jia Liu, químico jefe de Argonne. También trabaja en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.
Los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEM) representan una nueva generación de tecnología para este proceso. Pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con mayor eficacia a temperatura casi ambiente. Además, la menor demanda de energía los convierte en la opción ideal para producir hidrógeno limpio utilizando fuentes renovables pero intermitentes, como la solar y la eólica.
Coste
Este electrolizador funciona con catalizadores independientes para cada uno de sus electrodos (cátodo y ánodo). El catalizador del cátodo produce hidrógeno, mientras que el del ánodo forma oxígeno. Un problema es que el catalizador del ánodo utiliza iridio, que tiene un precio de mercado actual de unos 5.000 dólares la onza. La falta de suministro y el elevado coste del iridio suponen un gran obstáculo para la adopción generalizada de los electrolizadores PEM.
Es por esto por lo que el principal ingrediente del nuevo catalizador es el cobalto, mucho más barato que el iridio. "Intentamos desarrollar un catalizador anódico de bajo coste para un electrolizador PEM que genere hidrógeno con un alto rendimiento y un consumo mínimo de energía", explica Liu. "Utilizando el catalizador a base de cobalto preparado por nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del coste para producir hidrógeno limpio en un electrolizador", añade.
Rendimiento
Giner Inc, empresa líder en investigación y desarrollo que trabaja para la comercialización de electrolizadores y pilas de combustible, evaluó el nuevo catalizador utilizando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de funcionamiento industrial. Y el resultado fue bueno, tanto que el rendimiento y la durabilidad "superaron con creces a los catalizadores de la competencia".
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) de Argonne. También identificaron las características clave del catalizador mediante microscopía electrónica en Sandia Labs y en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne.
"Hemos obtenido imágenes de la estructura atómica de la superficie del nuevo catalizador en varias fases de preparación", explica Jianguo Wen, científico de materiales de Argonne. Además, la modelización computacional realizada ha revelado datos importantes sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.
El logro del equipo es un paso adelante en la iniciativa Earthshot de Energía del Hidrógeno del DOE, que imita el "Moon Shot" del programa espacial estadounidense de los años sesenta. Su ambicioso objetivo es reducir el coste de la producción de hidrógeno verde a un dólar por kilogramo en una década. De esta manera, la producción de hidrógeno verde a ese coste podría reconfigurar la economía del país.
"En términos más generales, nuestros resultados abren una prometedora vía para sustituir los costosos catalizadores de metales preciosos por elementos mucho más baratos y abundantes", señala Liu.
Alexis Revilla
05/06/2023