Ingenieros de la Universidad de Illinois en Chicago han ayudado a diseñar un nuevo método para producir gas hidrógeno a partir de agua utilizando únicamente energía solar y desechos agrícolas, como estiércol o cáscaras.
por Rob Mitchum, Universidad de Illinois en Chicago
El método reduce la energía necesaria para extraer hidrógeno del agua en un 600%, creando nuevas oportunidades para la producción química sostenible y respetuosa con el clima.
Los combustibles basados en hidrógeno son una de las fuentes más prometedoras de energía limpia. Pero producir gas hidrógeno puro es un proceso que consume mucha energía y que a menudo requiere carbón o gas natural y grandes cantidades de electricidad.
En un artículo para Cell Reports Physical Science , un equipo multiinstitucional dirigido por el ingeniero de la UIC Meenesh Singh presenta el nuevo proceso para la producción de hidrógeno verde.
El método utiliza una sustancia rica en carbono llamada biocarbón para disminuir la cantidad de electricidad necesaria para convertir el agua en hidrógeno. Al utilizar fuentes de energía renovables como la energía solar o eólica y capturar subproductos para otros usos, el proceso puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a cero.
«Somos el primer grupo que demuestra que se puede producir hidrógeno utilizando biomasa a una fracción de voltio», afirmó Singh, profesor asociado del departamento de ingeniería química. «Esta es una tecnología transformadora».
La electrólisis, el proceso de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, requiere una corriente eléctrica. A escala industrial, normalmente se requieren combustibles fósiles para generar esta electricidad.
Recientemente, los científicos han reducido el voltaje necesario para la división del agua introduciendo una fuente de carbono en la reacción. Pero este proceso también utiliza carbón o productos químicos costosos y libera dióxido de carbono como subproducto.
Singh y sus colegas modificaron este proceso para utilizar biomasa de productos de desecho comunes. Al mezclar ácido sulfúrico con desechos agrícolas , desechos animales o aguas residuales, crean una sustancia parecida a una suspensión llamada biocarbón, que es rica en carbono.
El equipo experimentó con diferentes tipos de biocarbón elaborado a partir de cáscaras de caña de azúcar, desechos de cáñamo, desechos de papel y estiércol de vaca. Cuando se agregaron a la cámara de electrólisis, las cinco variedades de biocarbón redujeron la energía necesaria para convertir el agua en hidrógeno. El de mejor desempeño, el estiércol de vaca, redujo el requerimiento eléctrico seis veces a aproximadamente un quinto de voltio.
Los requisitos de energía eran lo suficientemente bajos como para que los investigadores pudieran impulsar la reacción con una célula solar de silicio estándar que generaba aproximadamente 15 miliamperios de corriente a 0,5 voltios. Eso es menos que la cantidad de energía producida por una batería AA.
«Es muy eficiente, con casi un 35% de conversión del biocarbón y la energía solar en hidrógeno», dijo Rohit Chauhan, coautor y académico postdoctoral en el laboratorio de Singh. «Estas son cifras récord mundiales; es la más alta que nadie haya demostrado».
Para que el proceso sea neto cero, debe capturar el dióxido de carbono generado por la reacción. Pero Singh dijo que esto también podría tener beneficios ambientales y económicos , como producir dióxido de carbono puro para carbonatar bebidas o convertirlo en etileno y otros químicos utilizados en la fabricación de plástico.
«No sólo diversifica la utilización de los biorresiduos, sino que también permite la producción limpia de diferentes productos químicos más allá del hidrógeno», dijo Nishithan Kani, graduado de la UIC y coautor principal del artículo. «Esta forma barata de producir hidrógeno podría permitir a los agricultores volverse autosuficientes para sus necesidades energéticas o crear nuevas fuentes de ingresos».
Orochem Technologies Inc., que patrocinó la investigación, ha solicitado patentes sobre sus procesos para producir biocarbón e hidrógeno, y el equipo de la UIC planea probar los métodos a gran escala.
Además de Singh, Kani y Chauhan, el artículo fue coautor del estudiante graduado de la UIC Rajan Bhawnani. Otros coautores provienen de la Universidad de Stanford, la Universidad Tecnológica de Texas, el Instituto Indio de Tecnología Roorkee, la Universidad de Corea y Orochem Technologies Inc.
Más información: La electrólisis de agua asistida por biocarbón de subvoltio logra más del 80 % de eficiencia energética en la producción de H2, Cell Reports Physical Science (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102013 . www.cell.com/cell-reports-phys… 2666-3864(24)00281-9
