La tecnología de nanoestructuras impulsa la energía del hidrógeno
El hidrógeno es una fuente de energía limpia prometedora. La mejor forma de obtenerlo es a través de la electrólisis del agua, un método que emplea electricidad para disociar el agua en hidrógeno y oxígeno. Cuando la electrólisis es alimentada por energías renovables, el hidrógeno se puede generar con cero emisiones netas de gases de efecto invernadero y, por lo tanto, pasa a denominarse «hidrógeno ecológico». Para este proceso son fundamentales los electrocatalizadores de reacción de evolución del hidrógeno (REH), que son materiales que favorecen la reacción. El platino es el electrocatalizador de REH más popular y utilizado gracias a su elevada actividad catalítica, pero es caro y escaso, lo que constituye un obstáculo para su uso en aplicaciones industriales. El equipo del proyecto HyCat, que cuenta con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación, ha desarrollado una nanoestructura innovadora destinada a reducir la cantidad de platino necesaria en la REH y que, por lo tanto, podría abaratar el proceso. «El objetivo principal del proyecto es desarrollar un electrocatalizador novedoso y eficaz para producir hidrógeno a través de la reacción electroquímica de disociación del agua», comenta Liberato Manna, investigador experimentado del Instituto Italiano de Tecnología y coordinador del proyecto HyCat.
Creación de un sistema electrocatalizador con nanoestructura
Para crear el nuevo electrocatalizador, los investigadores sumergen primero un colector de corriente de titanio en un baño químico con cobre y otros reactivos, lo que favorece que crezca óxido de cobre en la superficie del titanio de nanoplacas dispuestas verticalmente. Estas nanoplacas —en esencia «el óxido de cobre», comenta Manna—, se transforman en cobre metálico con una gran conductividad eléctrica al aplicar una tensión reductora al colector de corriente subyacente. Por último, aún con la tensión reductora, se agrega una solución que incluye sal de platino, que decora las nanoestructuras de cobre con nanopartículas de platino. «Este procedimiento complejo da lugar a un cátodo con estabilidad mecánica y química que, ante todo, permite una dispersión óptima de las nanopartículas de platino. De este modo, se maximiza su superficie, por lo que se reduce su uso y el coste total de la tecnología», explica Manna.
Pruebas de funcionamiento del nuevo electrocatalizador
Durante el proyecto, el equipo de HyCat llevó a cabo cientos de experimentos para encontrar la solución óptima para diferentes variables. El costoso platino podría sustituirse por rutenio, un metal mucho más barato del mismo grupo del platino, con una tercera parte del coste. La cantidad promedio de rutenio en el electrodo era de tan solo 53 μg/cm2, esto es 10 veces menos que la cantidad de platino empleada en otros electrolizadores de última generación. «Nuestro cátodo optimizado es competitivo en términos de rendimiento —apunta Manna—. Cuando se ensambla en una sola celda, nuestra tecnología va más allá del estado actual de la técnica». Si se emplea en una planta de hidrógeno de 1 MW, el sistema arroja un costo de producción de cerca de 2,26 USD/kg de hidrógeno, en consonancia con el coste objetivo de hidrógeno verde establecido por la Comisión Europea para 2030, que es de menos de 2,50 USD/kg.
Ampliación de la tecnología
El siguiente paso del proyecto consistirá en ampliar el electrodo hasta un tamaño práctico de cerca de 100 cm2. Alrededor de esta escala, el electrolizador será totalmente funcional para producir hidrógeno para uso en el sitio, con una generación de energía a escala de kW. Por ejemplo, con un electrolizador de 2,5 kW es posible producir cerca de 1 kg de hidrógeno al día, una cantidad suficiente para alimentar una casa. «Se llevará a cabo un estudio adicional con los datos de rendimiento de este electrolizador a fin de ofrecer información detallada para construir plantas de hidrógeno a escala de MW con nuestros electrocatalizadores destinadas a la producción a gran escala», concluye Manna.
Palabras clave
HyCat, nanoestructura, cobre, platino, cátodo, hidrógeno, disociación del agua, verde, energía
