Hidrógeno barato obtenido a partir del agua

El hidrógeno está recibiendo mucha atención de la comunidad científica como potencial recurso energético limpio y alternativo a los combustibles fósiles.

La división del agua en hidrógeno y oxígeno a partir de la electricidad, es una idea simple y antigua: es lo que los químicos y físicos denominan electrólisis. Ahora, un equipo de científicos ha desarrollado recientemente la tecnología base para un sistema de electrólisis de agua de nueva generación que ha mejorado mucho la durabilidad y el rendimiento a la desarrollo de los componentes clave para la obtención de un sistema de electrólisis del agua empleando materiales del tipo PFAP. El resultado ha sido una durabilidad de más de 1.000 horas de funcionamiento y un nuevo récord de eficiencia, al superar en unas seis veces la eficiencia de los sistemas baratos comparables y en 1,2 veces la eficiencia de la tecnología comercial de tipo PEMWE.

 

En los últimos tiempos, el hidrógeno ha recibido mucha atención de la comunidad científica como potencial recurso energético limpio y alternativo a los combustibles fósiles. Una forma aparentemente fácil de obtener hidrógeno es descomponer el agua y sacarlo de ella. Pero el proceso además de ser eficiente también debe ser barato.

El hidrógeno es el elemento más abundante del Universo y uno de los dos constituyentes del agua, pero su obtención en la Tierra es costosa o poco sostenible. Lo que se hace normalmente -el 96% de la producción actual- es emplear gas natural (metano, CH4) y vapor de agua a altas temperaturas, una reacción conocida como reformado del gas. Sin embargo, si queremos erradicar los combustibles fósiles es necesario encontrar un sistema alternativo que sea barato, eficiente y sostenible.

La gran alternativa para obtener hidrógeno es la hidrólisis, una reacción química que logra separar las moléculas que forman el agua (H2+O), aunque la energía y los materiales necesarios para ello encarecen notablemente el proceso. Así que por hidrólisis se produce solo el restante 4% del hidrógeno mundial, generalmente en aplicaciones muy específicas.

La división del agua en hidrógeno y oxígeno a partir de la electricidad, es una idea simple y antigua: es lo que los químicos y físicos denominan electrólisis. Las tecnologías de electrólisis del agua han sido objeto de muchas investigaciones y mejoras. En esta reacción se necesita un aporte energético, que será suministrado mediante energía eléctrica.

El mecanismo de electrólisis es el siguiente: en una célula electroquímica hay dos electrodos (cátodo y ánodo) unidos por un medio conductor formado por iones H+ (protones) disueltos en agua. El paso de corriente eléctrica entre cátodo y ánodo hace que el agua se disocie, formándose hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo. Este mecanismo de hidrólisis se utiliza primariamente en la fabricación de alcoholes como por ejemplo el etanol, los glicoles como por ejemplo el etilenglicol, propilenglicol y el óxido de propileno.

La hidrólisis tiene especial importancia cuando se relaciona con los ésteres naturales, como los que están presentes en grasas, ceras, aceites animales y vegetales. Su importancia principalmente técnica se encuentra relacionada con las hidrólisis de las grasas, celulosa, proteínas, ésteres, sacarosa y almidón. Desde el punto de vista ecológico, se destaca la hidrólisis de los herbicidas y otras sustancias nocivas como posibilidad de desintoxicación. Además, se encuentran en desarrollo procedimientos hidrolíticos para aprovechar los residuos de plásticos, madera y papel.

La tecnología PEMWE (por las siglas en inglés de "Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer"), que actualmente está presente en algunos países, utiliza costosos catalizadores basados en metales nobles y membranas de intercambio de protones basadas en perfluorocarbono. Esta tecnología hace que el coste de fabricación de un sistema de electrólisis basado en ella sea muy elevado. Como contraparte a esto, se encuentran otras alternativas potenciales sí son baratas pero su eficiencia deja mucho que desear.

Los dispositivos del tipo denominado AEMWE (por las siglas en inglés de “Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer”), no requieren electrodos de metales preciosos y para la placa del separador emplean hierro en vez de titanio. Estos cambios hacen que el costo de fabricación de un dispositivo de este tipo sea unas 3.000 veces más barato que el de un dispositivo comparable de tipo PEMWE.

Sin embargo, el tipo AEMWE no se ha utilizado comercialmente debido a su bajo rendimiento en comparación con el del tipo PEMWE. Su principal desventaja es que soporta menos de 100 horas de funcionamiento sostenido.

Las tecnologías de electrólisis del agua han sido objeto de muchas investigaciones y mejoras.

La tecnología PEMWE (por las siglas en inglés de "Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer"), que actualmente está presente en algunos países, utiliza costosos catalizadores basados en metales nobles y membranas de intercambio de protones basadas en perfluorocarbono. Esta tecnología hace que el coste de fabricación de un sistema de electrólisis basado en ella sea muy elevado.

El equipo de So Young Lee, científica del Centro de Investigación de Hidrógeno y Células de Combustible, adscrito al Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur (KIST), ha desarrollado recientemente la tecnología base para un sistema de electrólisis de agua de nueva generación que ha mejorado mucho la durabilidad y el rendimiento a la vez que ha reducido considerablemente el coste de producción de hidrógeno.

Young Lee y sus colegas han desarrollado los componentes clave de un sistema de electrólisis del agua empleando materiales del tipo PFAP (por las siglas de “poly(fluorenyl-co-aryl piperidinium”). El resultado ha sido una durabilidad de más de 1.000 horas de funcionamiento y un nuevo récord de eficiencia, al superar en unas seis veces la eficiencia de los sistemas baratos comparables y en 1,2 veces la eficiencia de la tecnología comercial de tipo PEMWE.

Referencia:

Nanjun Chen et al.
High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 A cm−2 and a durability of 1000 hour. Royal Society of Chemistry 2021 https://doi.org/10.1039/D1EE02642A

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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