El innovador sistema para producir hidrógeno verde mucho más barato y sin desgastar materiales

Algunos de los metales implicados en la producción de hidrógeno son muy caros y se degradan rápido, un problema que ya tiene solución.

15 junio, 2023 02:46

Marta Sanz Romero

Frente a la popularidad de las energías solar y eólica, la creación de hidrógeno verde es otra de las grandes apuestas para reducir el consumo de combustibles fósiles contaminantes. Tanto que está llamado a ser el impulsor del transporte del futuro con aviones, trenes y demás vehículos eléctricos propulsados por hidrógeno. En España se han emprendido importantes ayudas económicas desde el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico para innovar en grandes electrolizadores que convierten el agua en hidrógeno. No obstante, esta energía aún requiere de innovación para ser más barata y eficiente.

Investigadores en Europa han desarrollado un nuevo método de producción de hidrógeno que reduce el desgaste de los materiales de los electrolizadores encargados de producir el gas hidrógeno a partir del agua y la electricidad. Los metales implicados en esta reacción química son caros y no muy abundantes, encareciendo esta energía limpia. El nuevo sistema diseñado, alarga la vida util de los materiales y mejora la eficiencia, lo que permite abaratar la producción de hidrógeno verde, la energía que pretende quitarle el trono a los combustibles fósiles en el transporte del futuro.

Eduardo Gracia ha dirigido este estudio como investigador del Departamento de Física de la Universidad de Umea, en Suiza. Gracia y su equipo han publicado los resultados en la revista Nature. Entre los beneficios que defiende su estudio está la estabilidad mejorada, la producción a gran escala y el bajo costo de electrodos. "Esto representa un paso clave para hacer realidad" la transformación de la sociedad a una energía más limpia, sostienen.

Metales escasos y caros

El hidrógeno es el elemento químico más abundante del planeta, siendo el 75% de la materia en este mundo. Esto se debe a que se encuentra en el agua, el carbono y otros muchos elementos y materiales. Es ligero, se puede almacenar y no genera emisiones contaminantes por sí mismo. De todos los procesos que permiten extraer hidrógeno de estos elementos en los que se encuentra, la producción de hidrógeno a partir de agua se considera limpia y por ello se denomina, hidrógeno verde.

No solo no emite gases contaminantes, sino que la energía necesaria para activar el proceso se puede obtener a través de paneles solares o aerogeneradores en un sistema de simbiosis entre energías renovables que se está aplicando a diferentes modelos para llevar esta tecnología a las casas. Incluso, una serie de proyectos persiguen aprovechar el agua allí donde no es abundante para obtener esta energía, recurriendo a la humedad para producir oxígeno e hidrógeno verde.

El "arco iris del hidrógeno": guía para no perderse en la energía del futuro

El hidrógeno se produce a partir del agua en un proceso llamado electrólisis que divide las moléculas de H2O en hidrógeno y oxígeno. El proceso requiere de un electrocatalizador que propicia la reacción química. A día de hoy, la tecnología más eficiente utilizada en la electrólisis del agua usa una membrana de intercambio de protones (PEM).

El problema es que esta tecnología requiere del uso de metales nobles como el platino, el rutenio y el iridio, los cuales son caros y difíciles de obtener, encareciendo el proceso de generación de hidrógeno y frenando su expansión como nuevo combustible limpio. El rutenio y el iridio, además, tienden a descomponerse con el tiempo, apuntan los investigadores responsables de este último estudio. "Estos electrocatalizadores aún se disuelven a densidades de corriente moderadas, lo que da como resultado una estabilidad operativa deficiente", afirman.

Modelo de electrocatalizador que extrae hidrógeno de la humedad Nature Communications Omicrono

"La descomposición de los metales nobles, un fenómeno conocido como 'disolución de metales', reduce la efectividad de la producción de hidrógeno. Es un problema que debe resolverse para que aprovechemos al máximo la tecnología PEM", explica el Profesor Asociado Eduardo Gracia en el comunicado de la Universidad de Umea.

La solución que proponen es atrapar el metal altamente activo y caro en un "andamio" estable, pero inactivo. Estos investigadores han desarrollado una estructura de soporte capaz de mantener estables los metales nobles, incluso en condiciones difíciles."El óxido mixto ácido estable consta de una red interconectada de óxidos nanoestructurados capaces de estabilizar el rutenio en la matriz (Ru-MO)", indica el informe publicado.

Mejorando la estabilidad

El andamio en cuestión está hecho de una mezcla de óxidos de estaño, antimonio, molibdeno y tungsteno (Sn-Sb-Mo-W), una mezcla de óxidos interconectados que forman una estructura porosa continua. Se ha empleado como protector donde el óxido de rutenio está anclado. En último lugar, se ha utilizado un fieltro de fibra de titanio (una capa de difusión de gas típica). Así esta estructura protege no solo a los metales nobles que reducen la velocidad a la que se corroen, sino también a los demás componentes del sistema de la ruptura que se produce durante el proceso.

Los investigadores parten de planteamientos anteriores en los que se ha recurrido a óxidos mixtos abundantes en la tierra que estabilizan el rutenio y evitan que se disuelva durante la reacciones químicas de los electrocatalizadores "Esta estrategia trae beneficios como una estabilidad mejorada en medios ácidos, producción a gran escala, bajo costo de electrodos y, en algunos casos, actividad mejorada de OER (oxygen evolution reaction), un proceso crucial en la conversión y almacenamiento de energía, especialmente en la electrólisis del agua.

Gráfico del estudio de la Universidad de Umea Eduardo Gracia, U. Umea Omicrono

En combinación con el fieltro de fibra de titanio, "observamos una menor degradación en la reacción del oxígeno en comparación con el óxido de rutenio cuando no está protegido durante la prueba de estrés electroquímico". De esta forma, este trabajo demuestra el potencial de los óxidos multimetálicos para prolongar la vida útil del metal activo en este proceso y el soporte de titanio.

"Atribuimos la estabilidad superior del nuevo material a la presencia de óxido mixto que dificulta la formación de Ru +8 y, por lo tanto, reduce la velocidad de corrosión. La matriz de óxido mixto cuaternario propuesta en este trabajo puede ayudar a prolongar la vida útil tanto del rutenio como del fieltro de fibra de titanio que se utilizan en las celdas PEM de electrólisis de agua.

Almacenamiento de hidrógeno verde. Invertia

Aseguran los investigadores, la tecnología PEM puede ser más asequible y efectiva a largo plazo, facilitando que se fabrique hidrógeno renovable a gran escala. "Esto representa un paso clave para hacer realidad nuestra transición hacia una sociedad más sostenible", afirma la institución.