El laboratorio de Rice avanza en los catalizadores de separación de agua
Los ingenieros desarrollan dispositivos estables que no requieren el costoso iridio
Crear una economía del hidrógeno no es tarea fácil, pero los ingenieros de la Universidad Rice han descubierto un método que podría hacer más económica y práctica la catálisis de la evolución del oxígeno en los ácidos, uno de los temas más difíciles de la electrólisis del agua para producir combustibles limpios de hidrógeno.
Zhen-Yu Wu, asociado postdoctoral de la Universidad de Rice, a la izquierda, y Feng-Yang Chen, estudiante de posgrado, son coautores de un estudio que introduce el rutenio dopado con níquel como candidato a sustituir el costoso iridio en los catalizadores anódicos que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno.
Jeff Fitlow/Rice University
El laboratorio del ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang, de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, ha sustituido el raro y caro iridio por el rutenio, un metal precioso mucho más abundante, como catalizador del electrodo positivo en un reactor que divide el agua en hidrógeno y oxígeno.
La adición de níquel al dióxido de rutenio (RuO2) por parte del laboratorio dio lugar a un robusto catalizador anódico que produjo hidrógeno a partir de la electrólisis del agua durante miles de horas en condiciones ambientales.
"Hay un enorme interés de la industria por el hidrógeno limpio", dijo Wang. "Es un importante portador de energía y también es importante para la fabricación de productos químicos, pero su producción actual contribuye a una parte significativa de las emisiones de carbono en el sector de la fabricación de productos químicos a nivel mundial. Queremos producirlo de forma más sostenible, y la división del agua mediante electricidad limpia está ampliamente reconocida como la opción más prometedora."
El iridio cuesta aproximadamente ocho veces más que el rutenio, dijo, y podría suponer entre el 20% y el 40% del gasto en la fabricación de dispositivos comerciales, especialmente en futuras implantaciones a gran escala.
El proceso desarrollado por Wang, el asociado postdoctoral de Rice Zhen-Yu Wu y el estudiante de posgrado Feng-Yang Chen, y sus colegas de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Virginia se detalla en Nature Materials.
La división del agua consiste en las reacciones de evolución del oxígeno y el hidrógeno mediante las cuales los catalizadores polarizados reorganizan las moléculas de agua para liberar oxígeno e hidrógeno. "El hidrógeno se produce en el cátodo, que es un electrodo negativo", explica Wu. "Al mismo tiempo, tiene que equilibrar la carga oxidando el agua para generar oxígeno en el lado del ánodo".
"El cátodo es muy estable y no supone un gran problema, pero el ánodo es más propenso a la corrosión cuando se utiliza un electrolito ácido", dijo Chen. "Los metales de transición más utilizados, como el manganeso, el hierro, el níquel y el cobalto, se oxidan y se disuelven en el electrolito.
"Por eso, el único material práctico que se utiliza en los electrolizadores de agua con membranas de intercambio de protones comerciales es el iridio", explica. "Es estable durante decenas de miles de horas, pero es muy caro".
Con la intención de encontrar un sustituto, el laboratorio de Wang se decantó por el dióxido de rutenio por su conocida actividad, dopándolo con níquel, uno de los varios metales probados.
Los investigadores demostraron que las nanopartículas de RuO2 ultrapequeñas y altamente cristalinas con dopantes de níquel, utilizadas en el ánodo, facilitaban la separación de agua durante más de 1.000 horas a una densidad de corriente de 200 miliamperios por centímetro cuadrado con una degradación insignificante.
Probaron sus ánodos frente a otros de dióxido de rutenio puro que catalizaron la electrólisis del agua durante unos cientos de horas antes de empezar a degradarse.
El laboratorio está trabajando en la mejora de su catalizador de rutenio para incorporarlo a los procesos industriales actuales. "Ahora que hemos alcanzado este hito de estabilidad, nuestro reto es aumentar la densidad de corriente al menos entre cinco y diez veces manteniendo este tipo de estabilidad", dijo Wang. "Esto es un gran reto, pero todavía es posible".
Considera que la necesidad es urgente. "La producción anual de iridio no nos ayudará a producir la cantidad de hidrógeno que necesitamos actualmente", dijo Wang. "Incluso utilizando todo el iridio que se produce en el mundo simplemente no se generará la cantidad de hidrógeno que necesitaremos si queremos que se produzca mediante electrólisis del agua".
"Eso significa que no podemos depender totalmente del iridio", dijo. "Tenemos que desarrollar nuevos catalizadores para reducir su uso o eliminarlo por completo del proceso".
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