Una nueva forma sostenible de fabricar hidrógeno para pilas de combustible y fertilizantes
"Hemos logrado lo que ha eludido a los científicos durante décadas"
Un equipo de investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles (CSRS) de Japón, dirigido por Ryuhei Nakamura, ha descubierto un nuevo método sostenible y práctico para producir hidrógeno a partir del agua. A diferencia de los métodos actuales, el nuevo método no requiere metales raros que son caros o escasos. En su lugar, ahora se puede producir hidrógeno para pilas de combustible y fertilizantes agrícolas utilizando cobalto y manganeso, dos metales bastante comunes. El estudio se ha publicado en Nature Catalysis.
Este esquema muestra el concepto de producción sostenible de hidrógeno. La electricidad procedente de fuentes renovables (solar, eólica) se utiliza para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno (electrólisis). El hidrógeno puede utilizarse como combustible, para ayudar a fabricar fertilizantes a partir del amoníaco y en otras industrias.
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(Izquierda) El óxido mixto de cobalto y manganeso, Co2MnO4. (Derecha) un fotograma de un vídeo que muestra la producción de hidrógeno por electrólisis a una densidad de corriente de 1000 miliamperios por centímetro cuadrado.
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A diferencia de los combustibles fósiles convencionales, que generan dióxido de carbono en su combustión, el hidrógeno es un combustible limpio que sólo produce agua como subproducto. Si el hidrógeno puede extraerse del agua utilizando electricidad renovable, la red energética podrá ser limpia, renovable y sostenible. Además, el hidrógeno es el ingrediente clave necesario para producir amoníaco, que se utiliza en prácticamente todos los fertilizantes sintéticos. Pero en lugar de extraer el hidrógeno del agua de forma limpia, actualmente las plantas de amoníaco utilizan combustibles fósiles para producir el hidrógeno que necesitan.
Entonces, ¿por qué seguimos utilizando combustibles fósiles? Una de las razones es que el propio proceso de extracción de hidrógeno -la electrólisis- es caro y todavía no es sostenible.
"Esto se debe principalmente a la falta de buenos catalizadores", dice Nakamura. "Además de ser capaz de soportar el duro entorno ácido, el catalizador debe ser muy activo. Si no lo es, la cantidad de electricidad necesaria para que la reacción produzca una cantidad determinada de hidrógeno se dispara, y con ella, el coste".
Actualmente, los catalizadores más activos para la electrólisis del agua son metales raros como el platino y el iridio, lo que crea un dilema porque son caros y se consideran "especies en peligro de extinción" entre los metales. Cambiar todo el planeta al combustible de hidrógeno ahora mismo requeriría una producción de iridio de unos 800 años, una cantidad que podría no existir. Por otro lado, metales abundantes como el hierro y el níquel no son lo suficientemente activos y tienden a disolverse inmediatamente en el duro entorno ácido de la electrólisis.
En su búsqueda de un catalizador mejor, los investigadores se fijaron en los óxidos mixtos de cobalto y manganeso. Los óxidos de cobalto pueden ser activos para la reacción requerida, pero se corroen muy rápidamente en el entorno ácido. Los óxidos de manganeso son más estables, pero no son lo suficientemente activos. Al combinarlos, los investigadores esperaban aprovechar sus propiedades complementarias. También tenían que tener en cuenta la alta densidad de corriente necesaria para la aplicación práctica fuera del laboratorio. "Para la producción de hidrógeno a escala industrial, teníamos que fijar la densidad de corriente objetivo de nuestro estudio entre 10 y 100 veces superior a la utilizada en experimentos anteriores", explica el coautor Shuang Kong. "Las altas corrientes provocaron una serie de problemas, como la descomposición física del catalizador".
Finalmente, el equipo superó estos problemas por ensayo y error, y descubrió un catalizador activo y estable insertando manganeso en la red de espinelas del Co3O4, produciendo el óxido mixto de cobalto y manganeso Co2MnO4.
Las pruebas demostraron que el Co2MnO4 funcionaba muy bien. Los niveles de activación se acercaban a los de los óxidos de iridio más avanzados. Además, el nuevo catalizador duró más de dos meses con una densidad de corriente de 200 miliamperios por centímetro cuadrado, lo que podría hacerlo efectivo para su uso práctico. En comparación con otros catalizadores de metales no raros, que suelen durar sólo días o semanas a densidades de corriente mucho más bajas, el nuevo electrocatalizador podría cambiar las reglas del juego.
"Hemos conseguido lo que los científicos han eludido durante décadas", afirma el coautor Ailong Li. "La producción de hidrógeno utilizando un catalizador altamente activo y estable hecho de metales abundantes. A largo plazo, creemos que se trata de un gran paso hacia la creación de una economía del hidrógeno sostenible". Al igual que otras tecnologías renovables, como las células solares y la energía eólica, esperamos que el coste de la tecnología del hidrógeno verde caiga en picado en un futuro próximo a medida que se produzcan más avances."
El siguiente paso en el laboratorio será encontrar formas de prolongar la vida útil del nuevo catalizador y aumentar aún más sus niveles de actividad. "Siempre hay margen de mejora", dice Nakamura, "y seguimos esforzándonos por conseguir un catalizador de metales no raros que iguale el rendimiento de los catalizadores actuales de iridio y platino".
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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