junio 28, 2022

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Una nueva forma sostenible de producir hidrógeno para pilas de combustible y fertilizantes

Una nueva forma sostenible de producir hidrógeno para pilas de combustible y fertilizantes
Este esquema muestra el concepto de producción sostenible de hidrógeno. La electricidad de fuentes renovables (solar, eólica) se utiliza para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno (electrólisis). Luego, el hidrógeno se puede usar como combustible, para ayudar a fabricar fertilizantes a partir de amoníaco y en otras industrias. Crédito: RIKEN

Un equipo de investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles (CSRS) en Japón, dirigido por Ryuhei Nakamura, descubrió un nuevo método sostenible y práctico para producir hidrógeno a partir del agua. 


por RIKEN


A diferencia de los métodos actuales, el nuevo método no requiere metales raros que son caros o escasos. En cambio, ahora se puede producir hidrógeno para pilas de combustible y fertilizantes agrícolas usando cobalto y manganeso, dos metales bastante comunes. El estudio fue publicado en Nature Catalysis .

A diferencia de los combustibles fósiles convencionales que generan dióxido de carbono tras la combustión, el hidrógeno es un combustible limpio que solo produce agua como subproducto. Si se puede extraer hidrógeno del agua usando electricidad renovable , la red de energía se puede hacer limpia, renovable y sostenible. Además, el hidrógeno es el ingrediente clave necesario para producir amoníaco, que se utiliza en prácticamente todos los fertilizantes sintéticos. Pero en lugar de extraer hidrógeno del agua de forma limpia, actualmente, las plantas de amoníaco utilizan combustibles fósiles para producir el hidrógeno que necesitan.

Entonces, ¿por qué seguimos usando combustibles fósiles? Una razón es que el proceso de extracción de hidrógeno en sí mismo, la electrólisis, es costoso y aún no es sostenible.

«Esto se debe principalmente a la falta de buenos catalizadores», dice Nakamura. «Además de ser capaz de soportar el duro entorno ácido, el catalizador debe ser muy activo. De lo contrario, la cantidad de electricidad necesaria para que la reacción produzca una determinada cantidad de hidrógeno se dispara, y con ella, también lo hace el costo».

Actualmente, los catalizadores más activos para la electrólisis del agua son metales raros como el platino y el iridio, lo que genera un dilema porque son costosos y se consideran «especies en peligro de extinción» entre los metales. Cambiar todo el planeta a combustible de hidrógeno en este momento requeriría alrededor de 800 años de producción de iridio, una cantidad que podría no existir. Por otro lado, los metales abundantes como el hierro y el níquel no son lo suficientemente activos y tienden a disolverse inmediatamente en el duro entorno de la electrólisis ácida.

Una nueva forma sostenible de producir hidrógeno para pilas de combustible y fertilizantes
(Izquierda) El óxido mixto de manganeso y cobalto, Co 2 MnO 4 . (Derecha) un cuadro de un video que muestra la producción de hidrógeno a través de la electrólisis a una densidad de corriente de 1000 miliamperios por centímetro cuadrado. Crédito: RIKEN

En su búsqueda de un mejor catalizador, los investigadores observaron óxidos mixtos de cobalto y manganeso. Los óxidos de cobalto pueden ser activos para la reacción requerida, pero se corroen muy rápidamente en un ambiente ácido. Los óxidos de manganeso son más estables, pero no son lo suficientemente activos. Al combinarlos, los investigadores esperaban aprovechar sus propiedades complementarias. También tuvieron que considerar la alta densidad de corriente necesaria para la aplicación práctica fuera del laboratorio. «Para la producción de hidrógeno a escala industrial, necesitábamos establecer la densidad de corriente objetivo de nuestro estudio entre 10 y 100 veces más alta que la utilizada en experimentos anteriores», dice el coautor Shuang Kong. «Las altas corrientes provocaron una serie de problemas, como la descomposición física del catalizador».

Finalmente, el equipo superó estos problemas mediante prueba y error, y descubrió un catalizador activo y estable mediante la inserción de manganeso en la red de espinela de Co 3 O 4 , produciendo el óxido mixto de cobalto y manganeso Co 2 MnO 4 .

Las pruebas mostraron que el Co 2 MnO 4 funcionó muy bien. Los niveles de activación estaban cerca de los de los óxidos de iridio de última generación. Además, el nuevo catalizador duró más de dos meses a una densidad de corriente de 200 miliamperios por centímetro cuadrado, lo que podría hacerlo efectivo para un uso práctico. En comparación con otros catalizadores de metales no raros, que generalmente duran solo días o semanas a densidades de corriente mucho más bajas, el nuevo electrocatalizador podría cambiar las reglas del juego.

«Hemos logrado lo que ha eludido a los científicos durante décadas», dice el coautor Ailong Li. «Producción de hidrógeno utilizando un catalizador altamente activo y estable hecho de abundantes metales. A largo plazo, creemos que este es un gran paso hacia la creación de una economía de hidrógeno sostenible. Al igual que otras tecnologías renovables como las células solares y la energía eólica, esperamos que la El costo de la tecnología de hidrógeno verde se desplomará en un futuro cercano a medida que se realicen más avances».

El próximo paso en el laboratorio será encontrar formas de extender la vida útil del nuevo catalizador y aumentar aún más sus niveles de actividad. «Siempre hay espacio para mejorar», dice Nakamura, «y seguimos esforzándonos por encontrar un catalizador de metal no raro que iguale el rendimiento de los catalizadores actuales de iridio y platino».



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