Extracción de un combustible limpio del agua

Mar 15, 2023

Un abundante suministro de energía limpia está al acecho a simple vista. Es el hidrógeno que podemos extraer del agua (H2O) utilizando energías renovables. Los científicos están buscando métodos de bajo costo para producir hidrógeno limpio a partir del agua para reemplazar los combustibles fósiles, como parte de la búsqueda para combatir el cambio climático.

El hidrógeno puede impulsar vehículos mientras emite nada más que agua. El hidrógeno también es un químico importante para muchos procesos industriales, sobre todo en la fabricación de acero y la producción de amoníaco. El uso de hidrógeno más limpio es muy deseable en esas industrias.

Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE)ha desarrollado un catalizador de bajo costo para un proceso que produce hidrógeno limpio a partir del agua. Otros contribuyentes incluyen los Laboratorios Nacionales Sandia del DOE y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, así como Giner Inc.

"Un proceso llamado electrólisis produce hidrógeno y oxígeno a partir del agua y existe desde hace más de un siglo", dijo Di-Jia Liu, químico senior de Argonne. También ocupa un cargo conjunto en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.

Los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) representan una nueva generación de tecnología para este proceso. Pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con mayor eficiencia casi a temperatura ambiente. La demanda de energía reducida los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio mediante el uso de fuentes renovables pero intermitentes, como la solar y la eólica.

Este electrolizador funciona con catalizadores separados para cada uno de sus electrodos (cátodo y ánodo). El catalizador de cátodo produce hidrógeno, mientras que el catalizador de ánodo forma oxígeno. Un problema es que el catalizador del ánodo usa iridio, que tiene un precio de mercado actual de alrededor de $5,000 por onza. La falta de suministro y el alto costo del iridio representan una barrera importante para la adopción generalizada de electrolizadores PEM.

El ingrediente principal del nuevo catalizador es el cobalto, que es sustancialmente más barato que el iridio. "Buscamos desarrollar un catalizador de ánodo de bajo costo en un electrolizador PEM que genera hidrógeno a un alto rendimiento con un consumo mínimo de energía", dijo Liu. "Al usar el catalizador a base de cobalto preparado por nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del costo de producir hidrógeno limpio en un electrolizador".

Giner Inc., una empresa líder en investigación y desarrollo que trabaja para la comercialización de electrolizadores y celdas de combustible, evaluó el nuevo catalizador usando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de operación industrial. El rendimiento y la durabilidad superaron con creces los de los catalizadores de la competencia.

Para seguir avanzando en el rendimiento del catalizador es importante comprender el mecanismo de reacción a escala atómica en condiciones de funcionamiento del electrolizador. El equipo descifró los cambios estructurales críticos que se producen en el catalizador en condiciones de funcionamiento mediante el uso de análisis de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en Argonne. También identificaron características clave del catalizador utilizando microscopía electrónica en Sandia Labs y en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne. Tanto APS como CNM son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Tomamos imágenes de la estructura atómica en la superficie del nuevo catalizador en varias etapas de preparación", dijo Jianguo Wen, científico de materiales de Argonne.

Además, el modelado computacional en Berkeley Lab reveló información importante sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.

El logro del equipo es un paso adelante en la iniciativa Earthshot de energía de hidrógeno del DOE, que imita el "Moon Shot" del programa espacial estadounidense de la década de 1960. Su ambicioso objetivo es reducir el costo de la producción de hidrógeno verde a un dólar por kilogramo en una década. La producción de hidrógeno verde a ese costo podría remodelar la economía de la nación. Las aplicaciones incluyen la red eléctrica, la fabricación, el transporte y la calefacción residencial y comercial.

"En términos más generales, nuestros resultados establecen un camino prometedor para reemplazar los catalizadores hechos de metales preciosos caros con elementos que son mucho menos costosos y más abundantes", señaló Liu.

Esta investigación se publicó en Science y contó con el apoyo de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible, así como con fondos de investigación y desarrollo dirigidos por Argonne Laboratory.

Además de Liu, los autores de Argonne son Lina Chong (ahora en la Universidad Jiao Tong de Shanghai), Jianguo Wen, Haiping Xu, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu y Xiao-Min Lin. Los autores de Berkeley Lab incluyen a Guoping Gao, Haixia Li y Ling-Wang Wang. El autor de Sandia Labs es Joshua D. Sugar. Los colaboradores Zach Green y Hui Xu son de Giner Inc.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web del Laboratorio Nacional de Argonne