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Aug 02, 2023

Extracción de combustible limpio del agua

Por el Laboratorio Nacional Argonne 20 de julio de 2023 El Laboratorio Nacional Argonne ha sido pionero en un catalizador a base de cobalto de bajo costo que impulsa la extracción eficiente de hidrógeno del agua. Esta innovación es clave

Por Laboratorio Nacional Argonne20 de julio de 2023

El Laboratorio Nacional Argonne ha sido pionero en un catalizador a base de cobalto de bajo costo que impulsa la extracción eficiente de hidrógeno del agua. Esta innovación es un paso clave para lograr el objetivo del DOE de reducir significativamente los costos de producción de hidrógeno verde.

Un abundante suministro de energía limpia acecha a plena vista. Es el hidrógeno que se puede extraer del agua (H2O) mediante energía renovable. Los investigadores están buscando estrategias rentables para generar hidrógeno limpio a partir del agua, con el objetivo de desplazar a los combustibles fósiles y luchar contra el cambio climático.

El hidrógeno es una potente fuente de energía para los vehículos y no emite más que agua. También juega un papel crucial en varios procesos industriales, particularmente en la producción de acero y amoníaco. El uso de hidrógeno más limpio en estas industrias sería extremadamente beneficioso.

Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado un catalizador de bajo costo para un proceso que produce hidrógeno limpio a partir del agua. Otros contribuyentes incluyen los Laboratorios Nacionales Sandia y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, así como Giner Inc.

"Un proceso llamado electrólisis produce hidrógeno y oxígeno a partir del agua y existe desde hace más de un siglo", dijo Di-Jia Liu, químico senior de Argonne. También ocupa un puesto conjunto en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.

Los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) representan una nueva generación de tecnología para este proceso. Pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con mayor eficiencia a temperatura cercana a la ambiente. La reducida demanda de energía los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio mediante el uso de fuentes renovables pero intermitentes, como la solar y la eólica.

El químico senior Di-Jia Liu inspecciona una muestra de catalizador dentro de un horno tubular después del tratamiento térmico, mientras que el postdoctorado Chenzhao Li lleva un reactor a presión para la síntesis de catalizadores. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne

Este electrolizador funciona con catalizadores separados para cada uno de sus electrodos (cátodo y ánodo). El catalizador catódico produce hidrógeno, mientras que el catalizador anódico forma oxígeno. Un problema es que el catalizador anódico utiliza iridio, que tiene un precio de mercado actual de alrededor de 5.000 dólares por onza. La falta de suministro y el alto costo del iridio plantean una barrera importante para la adopción generalizada de electrolizadores PEM.

El ingrediente principal del nuevo catalizador es el cobalto, que es sustancialmente más barato que el iridio. "Buscamos desarrollar un catalizador de ánodo de bajo costo en un electrolizador PEM que genere hidrógeno con un alto rendimiento y con un consumo mínimo de energía", dijo Liu. "Al utilizar el catalizador a base de cobalto preparado con nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del costo para producir hidrógeno limpio en un electrolizador".

Giner Inc., una empresa líder en investigación y desarrollo que trabaja en la comercialización de electrolizadores y pilas de combustible, evaluó el nuevo catalizador utilizando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de operación industrial. El rendimiento y la durabilidad superaron con creces los de los catalizadores de la competencia.

Para seguir avanzando en el rendimiento del catalizador es importante comprender el mecanismo de reacción a escala atómica en las condiciones operativas del electrolizador. El equipo descifró los cambios estructurales críticos que ocurren en el catalizador en condiciones operativas mediante análisis de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en Argonne. También identificaron características clave del catalizador mediante microscopía electrónica en Sandia Labs y en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne. La APS y el CNM son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Obtuvimos imágenes de la estructura atómica en la superficie del nuevo catalizador en varias etapas de preparación", dijo Jianguo Wen, científico de materiales de Argonne.

Además, el modelado computacional en el Laboratorio de Berkeley reveló importantes conocimientos sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.

El logro del equipo es un paso adelante en la iniciativa Hydrogen Energy Earthshot del DOE, que imita el programa espacial estadounidense "Moon Shot" de la década de 1960. Su ambicioso objetivo es reducir el coste de la producción de hidrógeno verde a un dólar por kilogramo en una década. La producción de hidrógeno verde a ese costo podría remodelar la economía del país. Las aplicaciones incluyen la red eléctrica, la fabricación, el transporte y la calefacción residencial y comercial.

"En términos más generales, nuestros resultados establecen un camino prometedor para reemplazar los catalizadores hechos de metales preciosos costosos con elementos que son mucho menos costosos y más abundantes", señaló Liu.

Referencia: “Catalizador de evolución de oxígeno de espinela de cobalto dopado con La y Mn para electrólisis de membrana de intercambio de protones” por Lina Chong, Guoping Gao, Jianguo Wen, Haixia Li, Haiping Xu, Zach Green, Joshua D. Sugar, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu, Xiao-Min Lin, Hui Xu, Lin-Wang Wang y Di-Jia Liu, 11 de mayo de 2023, Science.DOI: 10.1126/science.ade1499

La investigación contó con el apoyo de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables, la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible del DOE, así como con fondos de Investigación y Desarrollo Dirigidos por el Laboratorio Argonne.