12.01.2021 - Oregon State University

Produciendo hidrógeno a partir del agua

Los investigadores dan un paso clave hacia una producción más limpia y sostenible de hidrógeno

La producción masiva y eficiente de hidrógeno a partir del agua está más cerca de convertirse en una realidad gracias a los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Oregón y a los colaboradores de la Universidad de Cornell y del Laboratorio Nacional de Argonne.

Los científicos utilizaron herramientas experimentales avanzadas para forjar una comprensión más clara de un proceso catalítico electroquímico que es más limpio y más sostenible que la derivación de hidrógeno a partir de gas natural.

El hidrógeno se encuentra en una amplia gama de compuestos en la Tierra, que se combinan más comúnmente con el oxígeno para producir agua, y tiene muchas funciones científicas, industriales y relacionadas con la energía. También se encuentra en forma de hidrocarburos, compuestos que consisten en hidrógeno y carbono, como el metano, el principal componente del gas natural.

"La producción de hidrógeno es importante para muchos aspectos de nuestra vida, como las pilas de combustible para automóviles y la fabricación de muchos productos químicos útiles como el amoníaco", dijo Zhenxing Feng, del estado de Oregón, un profesor de ingeniería química que dirigió el estudio. "También se utiliza en la refinación de metales, para la producción de materiales artificiales como los plásticos y para una serie de otros propósitos".

Según el Departamento de Energía, los Estados Unidos producen la mayor parte de su hidrógeno a partir de una fuente de metano, como el gas natural, mediante una técnica conocida como reformado de vapor de metano. El proceso consiste en someter el metano a vapor presurizado en presencia de un catalizador, creando una reacción que produce hidrógeno y monóxido de carbono, así como una pequeña cantidad de dióxido de carbono.

El siguiente paso se denomina reacción de cambio agua-gas en la que el monóxido de carbono y el vapor se hacen reaccionar a través de un catalizador diferente, produciendo dióxido de carbono e hidrógeno adicional. En el último paso, la adsorción por oscilación de presión, el dióxido de carbono y otras impurezas se eliminan, dejando atrás el hidrógeno puro.

"En comparación con la reformación de gas natural, el uso de electricidad de fuentes renovables para dividir el agua para el hidrógeno es más limpio y más sostenible", dijo Feng. "Sin embargo, la eficiencia de la separación de agua es baja, principalmente debido al alto sobrepotencial - la diferencia entre el potencial real y el potencial teórico de una reacción electroquímica - de una semi-reacción clave en el proceso, la reacción de evolución del oxígeno o REO".

Una semi-reacción es una de las dos partes de una reacción redox, o de reducción-oxidación, en la que los electrones se transfieren entre dos reactantes; la reducción se refiere a ganar electrones, la oxidación significa perder electrones.

El concepto de medias reacciones se utiliza a menudo para describir lo que ocurre en una célula electroquímica, y las medias reacciones se utilizan comúnmente como una forma de equilibrar las reacciones redox. El sobrepotencial es el margen entre el voltaje teórico y el voltaje real necesario para causar la electrólisis, una reacción química impulsada por la aplicación de la corriente eléctrica.

"Los electrocatalizadores son fundamentales para promover la reacción de separación de agua al reducir el sobrepotencial, pero el desarrollo de electrocatalizadores de alto rendimiento no es nada sencillo", dijo Feng. "Uno de los mayores obstáculos es la falta de información sobre la evolución de la estructura de los electrocatalizadores durante las operaciones electroquímicas. Entender la evolución estructural y química del electrocatalizador durante el OER es esencial para desarrollar materiales de electrocatálisis de alta calidad y, a su vez, la sostenibilidad energética".

Feng y sus colaboradores utilizaron un conjunto de herramientas avanzadas de caracterización para estudiar la evolución estructural atómica de un electrocatalizador de TEA de última generación, el iridato de estroncio (SrIrO3), en un electrolito ácido.

"Queríamos entender el origen de su actividad récord para el OER - 1.000 veces mayor que el catalizador comercial común, el óxido de iridio", dijo Feng. "Usando instalaciones de rayos X basadas en el sincrotrón en Argonne y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X en el sitio de la Infraestructura de Nanotecnología del Noroeste en la OSU, observamos la transformación química de la superficie y la transformación cristalina a morfina del SrIrO3 durante el OER".

Las observaciones condujeron a un profundo entendimiento de lo que estaba pasando detrás de la capacidad del iridato de estroncio para trabajar tan bien como un catalizador.

"Nuestro detallado hallazgo a escala atómica explica cómo se forma la capa activa del iridato de estroncio en el iridato de estroncio y señala el papel crítico de la activación del oxígeno en la red y la difusión iónica acoplada en la formación de las unidades activas de TRE", dijo.

Feng añadió que el trabajo proporciona una visión de cómo el potencial aplicado facilita la formación de las capas amorfas funcionales en la interfaz electroquímica y conduce a posibilidades para el diseño de mejores catalizadores.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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