Ahorro de platino en la producción de hidrógeno
La Universidad Técnica de Viena demuestra cómo se puede ahorrar hasta un 88 % del platino utilizado en los electrolizadores de hidrógeno
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La electrólisis del hidrógeno es una tecnología importante para el futuro. Sin embargo, en la actualidad depende de cantidades significativas de platino, un material caro. Nuevos resultados de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) muestran que podría bastar con una cantidad mucho menor.
¿Qué grosor debe tener la capa de platino para evitar que se destruya?
© TU Wien
Se prevé que el hidrógeno se convierta en un importante vector energético del futuro, especialmente para aplicaciones industriales. Pero esto requiere tecnologías respetuosas con el clima que separen el agua en hidrógeno y oxígeno. Uno de los principales retos es el coste: la electrólisis de agua mediante membrana de polímero de electrólito (PEM) requiere componentes capaces de soportar condiciones altamente corrosivas. Algunos de estos componentes están recubiertos de platino.
Los experimentos realizados en la Universidad Técnica de Viena han analizado ahora con mayor detalle los procesos electroquímicos que tienen lugar en dichos recubrimientos de platino. Los resultados muestran que, si el recubrimiento se diseña correctamente, se necesita una cantidad de platino significativamente menor que la que se utiliza habitualmente en la actualidad. Esto podría abaratar notablemente la electrólisis.
Separación del agua mediante electricidad
El principio básico de la electrólisis del agua es sencillo: se utiliza corriente eléctrica para separar las moléculas de agua. En un electrodo se producen moléculas de oxígeno (O₂), iones de hidrógeno con carga positiva (protones) y electrones. Los protones migran a través de una membrana hacia el segundo electrodo, donde se combinan con los electrones para formar moléculas de hidrógeno (H₂).
Sin embargo, la implementación técnica es más complicada. «La electrólisis crea un entorno químico que resulta perjudicial para muchos componentes metálicos. El metal puede disolverse, mientras que, al mismo tiempo, pueden formarse capas de óxido que impidan el flujo de la corriente eléctrica», explica Helmut Riedl-Tragenreif, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien). «Para que el sistema permanezca operativo durante mucho tiempo, los distintos componentes deben combinarse cuidadosamente entre sí. Las placas bipolares desempeñan aquí un papel especialmente importante, ya que representan hasta el 30 % de los costes totales del sistema».
Estas placas desempeñan varias funciones a la vez: proporcionan estabilidad mecánica, conducen la corriente eléctrica y permiten el transporte de agua y gases. El titanio es muy adecuado para este fin, ya que es altamente resistente a la corrosión incluso en condiciones agresivas. Sin embargo, en la superficie del titanio se forma una capa de óxido que impide el flujo de corriente.
Por este motivo, dichas placas bipolares se recubren con una fina capa de platino. El platino conduce la electricidad, es resistente a la corrosión y protege el titanio subyacente. Sin embargo, hasta ahora quedaba sin resolver una cuestión importante: ¿qué grosor debe tener realmente esta capa de platino?
Esto se investigó de forma sistemática en la Universidad Técnica de Viena (TU Wien). El resultado es sorprendente: en las condiciones estudiadas, una capa de platino de tan solo 24 nanómetros de espesor resultó suficiente. En cambio, con un espesor de ocho nanómetros surgieron problemas evidentes.
En comparación con un recubrimiento de 200 nanómetros, como el que se utiliza actualmente en la industria, esto significa que se podría ahorrar potencialmente alrededor del 88 % del platino utilizado para la capa protectora. «Hoy en día se utilizan a menudo recubrimientos de platino de varios cientos de nanómetros de espesor. Nuestros resultados muestran lo grande que es el potencial de ahorro», afirma Riedl-Tragenreif. Ahorro de platino
Un círculo vicioso autodestructivo
Para demostrarlo, no basta con producir un recubrimiento que funcione inicialmente. También es necesario investigar cómo se mantiene su resistencia en condiciones de funcionamiento agresivas. «Analizamos los recubrimientos antes y después de someterlos a estrés electroquímico utilizando métodos de alta resolución», explica Riedl-Tragenreif. «Una cuestión especialmente importante es si se desarrollan defectos microscópicos en el recubrimiento».
Dichos defectos pueden desencadenar un círculo vicioso: si la capa protectora de platino se daña en un punto, el titanio subyacente puede verse afectado. El titanio se oxida y también pueden formarse pequeñas burbujas de oxígeno en la interfaz. Esto puede generar tensiones mecánicas y dañar aún más el recubrimiento de platino. Pueden desprenderse secciones más grandes del recubrimiento, dejando al descubierto aún más titanio, y el proceso se acelera.
En el caso de la capa de platino de ocho nanómetros, los investigadores encontraron, efectivamente, indicios claros de dicho daño: tras someterla a tensión electroquímica, el recubrimiento presentaba defectos más grandes, mientras que se liberaban en el electrolito una cantidad significativamente mayor de iones de titanio y platino.
El recubrimiento de 24 nanómetros, por el contrario, permaneció prácticamente intacto en las condiciones estudiadas y conservó su buena conductividad eléctrica. La liberación de iones metálicos se pudo mantener en un nivel muy bajo.
«El espesor de recubrimiento realmente óptimo depende de muchos factores, entre ellos la técnica de fabricación y la uniformidad del recubrimiento. Pero lo que hemos demostrado claramente es que existe un potencial considerable para reducir el consumo de platino en los electrolizadores. Desde el punto de vista de la ciencia de los materiales, los espesores de recubrimiento que se utilizan habitualmente en la actualidad no son necesariamente imprescindibles», afirma Riedl-Tragenreif.
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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