El Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU ha desarrollado un catalizador de bajo costo para un proceso que produce hidrógeno limpio a partir del agua.
El hidrógeno limpio no solo podría propulsar vehículos sin emisiones contaminantes, sino que también ayudaría a descarbonizar los procesos industriales.
"Al usar el catalizador a base de cobalto preparado con nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del costo de producir hidrógeno limpio en un electrolizador", explica en un comunicado Di-Jia Liu, químico sénior en Argonne.
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 dólares por onza (28 gramos). 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 genere hidrógeno a un alto rendimiento con un consumo mínimo de energía", dijo Liu. "Al usar el catalizador a base de cobalto preparado con nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del costo de producir hidrógeno limpio en un electrolizador".
Giner Inc., firma que comercializa 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.
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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.
"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.
HIDRÓGENO VERDE A UN DÓLAR POR KILO
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 fue publicada en Science.