Cientificos de todo el planeta mantienen una competición por encontrar el mejor catalizador para la produccción de energía de hidrógeno.
El hidrógeno como combustible alternativo sostenible se reconoce como una opción principal para el suministro de energía en el futuro debido a su alta densidad de energía gravimétrica y cero emisiones de carbono durante la combustión. La división electroquímica del agua es una estrategia prometedora para la producción de hidrógeno eficaz y sostenible.
¿Qué es un catalizador empleado en la energía de hidrógeno?
Un catalizador de una pila de combustible de hidrógeno es una sustancia que acelera la velocidad de una reacción química sin ser consumida en la misma. En otras palabras, el catalizador ayuda a que la reacción de generación de energía en la pila de combustible ocurra más rápidamente y puede ser reutilizada en la siguiente reacción.
En una pila de combustible de hidrógeno, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan electroquímicamente para producir agua y energía eléctrica. Para que esta reacción ocurra, se necesita un catalizador. El catalizador permite que los electrones de hidrógeno y oxígeno se transfieran de manera eficiente entre las dos mitades de la pila de combustible.
Materiales utilizados como catalizador en pila de hidrógeno
El catalizador más comúnmente utilizado en las pilas de combustible de hidrógeno es la platino, que se utiliza en la membrana de intercambio de protones (PEM). El platino es un metal noble que es muy efectivo en la aceleración de la reacción de oxidación del hidrógeno y reducción del oxígeno que ocurre en la pila de combustible.
Otros materiales que se emplean como catalizador en una pila de hidrógeno son:
✅ Paladio (Pd): es un metal del grupo del platino que es más barato y más abundante que el platino. Se utiliza comúnmente en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) como un sustituto del platino.
✅ Níquel (Ni): es un metal ampliamente disponible y económico. Los catalizadores de níquel se utilizan en las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) y en las pilas de combustible de electrolitos de carbonato fundido (MCFC).
✅ Cobalto (Co): es otro metal comúnmente utilizado en las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Los catalizadores de cobalto son capaces de resistir mejor las altas temperaturas y condiciones corrosivas que se encuentran en este tipo de pilas de combustible.
✅ Carbón: el carbón activado se utiliza a menudo como catalizador en las pilas de combustible microbianas (MFC). El carbón activado puede mejorar la eficiencia de transferencia de electrones en las MFC y reducir la acumulación de sustancias tóxicas en el ánodo.
✅ Platino-Rutenio (Pt-Ru): esta combinación de metales se utiliza a menudo en las pilas de combustible de metanol directo (DMFC). El platino actúa como catalizador para la reducción del oxígeno, mientras que el rutenio acelera la oxidación del metanol.
CSIC descubre un nuevo catalizador de energía de hidrógeno a metano
El transporte de hidrógeno a larga distancia requiere convertirlo en compuestos químicos como metanol, amoniaco y metano. Usar metano permite convertir el 50 % de su masa en hidrógeno, frente al 17-18 % del metanol y el amoniaco. Este fue el punto de partida de los investigadores del CSIC.
Estos cientificos han descubierto un nuevo catalizador sólido sintetizado mediante un método denominado síntesis hidrotermal. Han desarrollado un catalizador que trasforma hidrógeno en metano a bajas temperatura. Funciona a 180 grados centígrados, con alta eficiencia. Además, es estable a lo largo del tiempo. Los resultados se publicaron a finales de año en Nature Materials, y el descubrimiento está protegido mediante dos patentes.
Actualmente, para la obtención de gas natural a partir de dióxido de carbono e hidrógeno se usan catalizadores de alta temperatura. Estos funcionan entre 300 y 450 grados centígrados. Las altas temperaturas tienen inconveninetes a nivel de estabilidad del catalizador y por consumo energético. Además, genera la pérdida de selectividad por la formación de monóxido de carbono como producto secundario. Por eso, este catalizador de energía de hidrógeno es un gran avance.
La Universidad de Valencia desarrolla un catalizador para producir energía de hidrógeno
La Universidad de Valencia entra en el capital de la empresa 2DMatch mediante la modalidad de spin-off. Su objetivo será desarrollar un avanzado catalizador para la producción de energía de hidrógeno verde a bajo precio y con materiales no geolocalizados.
2DMatch llevará al mercado electrocatalizadores de hidrógeno fabricados a partir de níquel y hierro, cuya viabilidad ha sido documentada ampliamente por la literatura científica, pero que no han estado disponibles hasta ahora en el mercado. De esta forma, la empresa afronta un importante objetivo estratégico a medio y largo plazo de la Unión Europea.
Esta demanda de catalizadores implica que las reservas globales de metales como el oro, el platino o el paladio, se van agotando con rapidez y se incrementa el coste. Varias líneas de investigación han constatado que agregar níquel y hierro (o cobalto, en su caso) a catalizadores más económicos reduce la energía necesaria para dividir el agua y aumenta el rendimiento de hidrógeno.
Esta spin-off pondrá en el mercado un catalizador que permite a los electrodos realizar su función con menor consumo energético. También, producirán electrodos a medida del cliente, es decir, siguiendo las indicaciones del cliente en cuanto a forma, el tamaño y el material.
Catalizadores de hidrógeno con estructura CoSe2
Los esfuerzos para producir hidrógeno a partir del agua directamente utilizando la luz solar se han visto obstaculizados por la ineficacia de los catalizadores que promueven el proceso. Hoy en día, la investigación se centra en el desarrollo de electrocatalizadores no preciosos, estables y altamente eficientes para la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER).
Recientemente, el CoSe 2 ha atraído una gran atención como electrocatalizador HER. Es debido a su configuración electrónica única porque garantiza un transporte de carga rápido, una excelente actividad catalítica. y una buena estabilidad química. EStas investigaciones están atrayendo la atención de numerosas empresas de hidrógeno.
Hasta ahora, se informan muchas revisiones sobre la división de agua electrocatalítica basada en dicalcogenuros de metales de transición y materiales a base de cobalto. Sin embargo, la revisión del electrocatalizador CoSe2 para la reacción de desprendimiento de hidrógeno está actualizada de forma limitada.
Actualmente, se estudia sobre el electrocatalizador CoSe2 para la reacción de desprendimiento de hidrógeno. En el último artículo publicado, se destacan las estructuras cristalinas de CoSe2, su estrategia de transformación de fase, su mecanismo de reacción de evolución de hidrógeno en electrolitos ácidos y alcalinos.
Los diversos procedimientos de síntesis adoptados para producir CoSe2 materiales basados. También, se analiza la relación entre su estructura y composición con sus actividades electrocatalíticas. Además, vieron las formas efectivas de mejorar el rendimiento electrocatalítico de los materiales. En concreto, se detalla su modificación morfológica, la construcción de heteroestructuras y el dopaje de heteroátomos.
Otros catalizadores de hidrógeno anteriores
Aprovechar la energía limpia del hidrógeno es la obsesión de muchos investigadores. Siempre están buscando formas asequibles de producir y almacenar hidrógeno de forma más barata y eficiente.
Continuamente se suceden diversas investigaciones como la del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL). El pasado año realizaron una interesante investigación donde muestran que una combinación de minerales baratos eclipsa a otros materiales de metales preciosos cuando se trata de producir hidrógeno.
Los investigadores probaron una catalizador con aguas residuales de molibdeno-fosfuro (MOP) en un pequeño reactor llamado una célula de electrólisis microbiana (MEC). Los resultados de las pruebas mostraron que MoP funcionó mejor que el platino, un metal precioso y costoso que se usa típicamente por su alto rendimiento catalítico. El catalizador MoP también produjo hidrógeno cinco veces más rápido, que otros catalizadores sin platino.
Este catalizador también funcionó bien con agua salina. «Si puede producir hidrógeno a partir del agua de mar, la reserva de recursos es prácticamente ilimitada», dijo Yuyan Shao, científico investigador en PNNL.
Al igual que el agua de mar, el material catalizador MoP está ampliamente disponible y, por lo tanto, es barato. El catalizador también funcionó con las aguas residuales, otro recurso omnipresente. Los detalles del estudio del equipo aparecen en la revista ACS Catalysis .
