Científicos del Argonne National Laboratory estadounidense han estado buscando métodos de bajo coste para producir hidrógeno limpio a partir del agua, con el objetivo de reemplazar los combustibles fósiles y combatir el cambio climático.
El hidrógeno puede alimentar vehículos sin emitir más que agua. También es un químico importante en muchos procesos industriales, especialmente en la fabricación de acero y la producción de amoníaco. Todo ello hace que el potencial uso del hidrógeno verde sea altamente deseable en estas industrias.
Con ello en mente, un equipo multiinstitucional liderado por el Laboratorio Nacional Argonne, del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), ha desarrollado un catalizador de bajo coste para su utilización en un proceso que produce hidrógeno limpio a partir del agua.
En dicha investigación han participado también otros colaboradores, entre los que se incluyen los Laboratorios Nacionales Sandia y Berkeley del DOE, así como Giner Inc.
Electrólisis más barata
El proceso de electrólisis produce hidrógeno y oxígeno a partir del agua y es conocido desde hace más de un siglo, aunque de momento sigue siendo un proceso caso.
El equipo de investigación se centró en los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM, por sus siglas en inglés), que representan una nueva generación de tecnología para este proceso.
Estos electrolizadores pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con una eficiencia más alta a temperatura ambiente. La menor demanda de energía los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio utilizando fuentes renovables pero intermitentes, como la energía solar y eólica.
El electrolizador PEM utiliza catalizadores separados para cada uno de sus electrodos: el cátodo y el ánodo. El catalizador del cátodo produce hidrógeno, mientras que el catalizador del ánodo forma oxígeno.
Sin embargo, el catalizador del ánodo actualmente utiliza iridio, que tiene un precio de mercado cercano a los 5000 dólares por onza. La falta de suministro y el alto coste del iridio representan una barrera importante para la adopción generalizada de los electrolizadores PEM.
Catalizador de cobalto
El ingrediente principal del nuevo catalizador desarrollado por Argonne es el cobalto, que es sustancialmente más barato que el iridio.
Giner Inc., una empresa líder en investigación y desarrollo que trabaja para comercializar electrolizadores y celdas de combustible, evaluó el nuevo catalizador utilizando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones operativas industriales. El rendimiento y la durabilidad superaron con creces a los catalizadores de los competidores.
«Al utilizar el catalizador a base de cobalto preparado por nuestro método, se podría eliminar el principal obstáculo de costes para producir hidrógeno limpio en un electrolizador», señala Di-Jia Liu, químico senior en Argonne y profesor de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago.
Para avanzar aún más en el rendimiento del catalizador, es importante comprender el mecanismo de reacción a escala atómica bajo las condiciones de operación del electrolizador.
El equipo de investigación logró desentrañar los cambios estructurales críticos que ocurren en el catalizador durante las condiciones de operación utilizando análisis de rayos X en la Advanced Photon Source (APS) en Argonne.
Además, utilizaron microscopía electrónica en los Laboratorios Sandia y en el Centro de Materiales a Escala Nanométrica (CNM) de Argonne para identificar características clave del catalizador.
«Analizamos la estructura atómica en la superficie del nuevo catalizador en diversas etapas de preparación», explica Jianguo Wen, científico de materiales en Argonne.
Además, la modelización computacional en Berkeley Lab reveló conocimientos importantes sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.
El logro del equipo representa un avance en la iniciativa Hydrogen Energy Earthshot del DOE, que imita el «Moon Shot» del programa espacial de Estados Unidos en la década de 1960.
Su objetivo ambicioso es reducir el coste de producción de hidrógeno verde a un dólar (unos 93 céntimos de euro) por kilogramo en una década. La producción de hidrógeno verde a ese coste podría transformar la economía del país. Las aplicaciones incluyen la red eléctrica, la fabricación, el transporte y la calefacción residencial y comercial.
