Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford han demostrado por primera vez que un catalizador barato puede dividir el agua y generar gas de hidrógeno durante horas en el ambiente hostil de un dispositivo comercial.
La tecnología de electrolizadores, que se basa en una membrana de electrolitos poliméricos (PEM), tiene potencial para la producción de hidrógeno a gran escala impulsada por energía renovable, pero se ha visto frenada en parte por el alto costo de los catalizadores de metales preciosos, como el platino y iridio, necesario para aumentar la eficiencia de las reacciones químicas.
Este estudio señala el camino hacia una solución más barata, informaron hoy los investigadores en Nature Nanotechnology.
“El gas de hidrógeno es un químico industrial de enorme importancia para la fabricación de combustibles y fertilizantes, entre otras cosas”, dijo Thomas Jaramillo, director del Centro SUNCAT de Interfaz de Ciencia y Catálisis, quien dirigió el equipo de investigación. “También es una molécula limpia y de alto contenido de energía que puede usarse en celdas de combustible o para almacenar energía generada por fuentes de energía variables como la solar y la eólica. Pero la mayor parte del hidrógeno producido en la actualidad está hecho con combustibles fósiles, aumentando el nivel de CO2 en la atmósfera. Necesitamos una forma rentable de producirlo con energía limpia”.
Desde metales caros hasta materiales baratos y abundantes
A lo largo de los años, se ha trabajado mucho para desarrollar alternativas a los catalizadores de metales preciosos para los sistemas PEM. Se ha demostrado que muchos trabajan en un entorno de laboratorio, pero Jaramillo dijo que, según su conocimiento, este es el primero en demostrar un alto rendimiento en un electrolizador comercial. El dispositivo fue fabricado por un sitio de investigación de electrólisis PEM y una fábrica en Connecticut para Nel Hydrogen, el fabricante de equipos de electrolizadores más antiguo y más grande del mundo.
Figura 1. En lugar de generar electricidad, un electrolizador usa corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Crédito: Greg Stewart, Laboratorio Acelerador Nacional SLAC.
La electrólisis funciona como una batería a la inversa: en lugar de generar electricidad, utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Las reacciones que generan hidrógeno y oxígeno gaseoso tienen lugar en diferentes electrodos utilizando diferentes catalizadores de metales preciosos. En este caso, el equipo de Nel Hydrogen reemplazó el catalizador de platino en el lado generador de hidrógeno con un catalizador que consiste en nanopartículas de fosfuro de cobalto depositadas en el carbono para formar un polvo negro fino, que fue producido por los investigadores de SLAC y Stanford. Al igual que otros catalizadores, une otros químicos y los alienta a reaccionar.
El catalizador de fosfuro de cobalto funcionó extremadamente bien durante toda la prueba, más de 1,700 horas, una indicación de que puede ser lo suficientemente resistente para el uso diario en reacciones que pueden tener lugar a temperaturas elevadas, presiones y densidades de corriente y en condiciones extremadamente ácidas. durante largos períodos de tiempo, dijo McKenzie Hubert, una estudiante graduada en el grupo de Jaramillo que dirigió los experimentos con Laurie King, una ingeniera de investigación de SUNCAT que desde entonces se ha unido a la facultad de la Universidad Metropolitana de Manchester.
“Nuestro grupo ha estado estudiando este catalizador y materiales relacionados por un tiempo”, dijo Hubert, “y lo tomamos de una etapa experimental fundamental a escala de laboratorio a través de pruebas en condiciones de operación industrial, donde necesita cubrir una superficie mucho más grande área con el catalizador y tiene que funcionar en condiciones mucho más difíciles”.
Uno de los elementos más importantes del estudio fue aumentar la producción del catalizador de fosfuro de cobalto mientras lo mantenía muy uniforme, un proceso que implicaba sintetizar el material de partida en el banco de laboratorio, molerlo con un mortero y una mano de mortero, hornearlo en un horno y finalmente convirtiendo el fino polvo negro en una tinta que se podría rociar sobre hojas de papel carbón poroso. Los electrodos de gran formato resultantes se cargaron en el electrolizador para las pruebas de producción de hidrógeno.
Figura 2. El gas de hidrógeno es un químico industrial de enorme importancia para fabricar combustible y fertilizantes, y una molécula limpia y de alto contenido de energía que puede usarse en celdas de combustible o para almacenar energía generada por fuentes de energía variables como la solar y la eólica. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory.
Produciendo gas hidrógeno a escala
Si bien el desarrollo del electrolizador fue financiado por el Departamento de Defensa, que está interesado en el lado generador de oxígeno de la electrólisis para su uso en submarinos, Jaramillo dijo que el trabajo también se alinea con los objetivos de la iniciativa H2 @Scale del DOE, que reúne a los laboratorios y la industria del DOE. para avanzar en la producción, el transporte, el almacenamiento y el uso asequibles de hidrógeno para una serie de aplicaciones, y la investigación de catalizadores fundamentales fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE.
Katherine Ayers, vicepresidenta de investigación y desarrollo en Nel y coautora del artículo, dijo: “Trabajar con Tom nos dio la oportunidad de ver si estos catalizadores podrían ser estables durante mucho tiempo y nos dio la oportunidad de ver cómo su rendimiento en comparación con el de platino.
“El rendimiento del catalizador de fosfuro de cobalto necesita mejorar un poco, y su síntesis debería ampliarse”, dijo. “Pero me sorprendió lo estable que eran estos materiales. A pesar de que su eficiencia en la generación de hidrógeno era menor que la del platino, era constante. Muchas cosas se degradarían en ese entorno”.
Si bien el catalizador de platino representa solo alrededor del 8 por ciento del costo total de fabricación de hidrógeno con PEM, el hecho de que el mercado del metal precioso sea tan volátil, con precios que suben y bajan, podría retrasar el desarrollo de la tecnología, dijo Ayers. Reducir y estabilizar ese costo será cada vez más importante a medida que se mejoren otros aspectos de la electrólisis PEM para satisfacer la creciente demanda de hidrógeno en celdas de combustible y otras aplicaciones.
Noticia de: Phys.org / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade
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