Investigadores de universidades de dos continentes

Muestran cómo producir cantidades industriales de hidrógeno sin emisiones de carbono a la atmósfera

Han diseñado un catalizador eficiente y respetuoso con el medio ambiente para producir hidrógeno molecular

Muestran cómo producir cantidades industriales de hidrógeno sin emisiones de carbono a la atmósfera
Carbono en la atmósfera

Investigadores de universidades de dos continentes han diseñado un catalizador eficiente y respetuoso con el medio ambiente para producir hidrógeno molecular (H2), un compuesto ampliamente utilizado en la industria moderna para la fabricación de fertilizantes y refinar el petróleo crudo en gasolina.

Aunque el hidrógeno es un elemento abundante, generalmente no se encuentra como el gas puro H2, sino que generalmente está unido al oxígeno en agua (H2O) o al carbono en el metano (CH4), el componente principal del gas natural.

En la actualidad, el hidrógeno industrial se produce a partir del gas natural mediante un proceso que consume gran cantidad de energía y, al mismo tiempo, libera carbono a la atmósfera, lo que contribuye a las emisiones globales de carbono.

En un artículo publicado este domingo en la revista ‘Nature Chemistry’, expertos en Nanotecnología de la Escuela de Ingeniería de Stanford, en Estados Unidos, y de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, explican cómo liberar el hidrógeno del agua a escala industrial mediante el uso de la electrólisis.

En la electrólisis, la corriente eléctrica fluye a través de un electrodo metálico sumergido en agua. Este flujo de electrones induce una reacción química que rompe los enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno. El electrodo sirve como un catalizador, un material que puede estimular una reacción tras otra sin ser utilizado y el platino es el mejor catalizador para la electrólisis. Si el costo no es el objetivo, el platino podría ser utilizado para producir hidrógeno a partir de agua en la actualidad.

Pero el dinero importa, sobre todo en un mundo en el que se consumen alrededor de 55.000 millones de kilogramos de hidrógeno por año. En la actualidad, cuesta entre uno y dos dólares por kilogramo producir hidrógeno a partir de metano, por lo que cualquier proceso competitivo, incluso si es más ecológico, debe triunfar frente a ese coste de producción, por lo que descarta la electrólisis a base de platino.

En el artículo, los autores del trabajo describen cómo rediseñaron la estructura atómica de un material industrial barato y común para que sea tan eficiente en la electrólisis como el platino, un descubrimiento que tiene el potencial de revolucionar la producción de hidrógeno industrial.

El proyecto fue concebido por Jakob Kibsgaard, un investigador postdoctoral con Thomas Jaramillo, profesor asistente de Ingeniería Química en Stanford. Kibsgaard comenzó este proyecto mientras trabaja con Flemming Besenbacher, profesor en el Centro Interdisciplinario de Nanociencia (iNANO) en Aarhus.

Desde la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros de petróleo han utilizado disulfuro de molibdeno para ayudar a refinar el petróleo. Sin embargo, hasta ahora esta sustancia no se consideró un buen catalizador para producir hidrógeno del agua mediante electrólisis. Eventualmente, los científicos e ingenieros llegaron a entender por qué: los materiales de sulfuro de molibdeno más utilizados tenían una disposición inadecuada de los átomos en su superficie.

MAYOR EFICACIA DE UN CATALIZADOR

Típicamente, cada átomo de azufre en la superficie de un cristal de sulfuro de molibdeno está unido a tres átomos de molibdeno por debajo. Por razones complejas que involucran las propiedades de enlace atómico de hidrógeno, esa configuración no es propicia para la electrólisis.

En 2004, el profesor de Ingeniería Química de Stanford Jens Norskov, entonces en la Universidad Técnica de Dinamarca, hizo un descubrimiento importante. Alrededor de los bordes del cristal, algunos átomos de azufre están obligados a tener sólo dos átomos de molibdeno. En estos sitios del borde, que se caracterizan por enlaces dobles en vez de triples, el sulfuro de molibdeno era mucho más eficaz en la formación de H2.

Armado con ese conocimiento, Kibsgaard encontró una receta de 30 años de antigüedad para hacer una forma de sulfuro de molibdeno con una gran cantidad de estos sulfuros con doble enlace en el borde. Mediante el uso de la química simple, sintetizó nanoclusters de este sulfuro de molibdeno especial y los puso en una hoja de grafito, un material que conduce electricidad. Juntos, el grafito y el sulfuro de molibdeno forman un electrodo barato. Se suponía que debía ser un sustituto para el platino, el catalizador ideal, pero caro para la electrólisis.

La pregunta que se planteaba es si este electrodo podría estimular eficazmente la reacción química que reordena los átomos de hidrógeno y oxígeno en el agua. Jaramillo responde: «La química es todo acerca de dónde quieren ir los electrones y la catálisis se trata de obtener que esos electrones se muevan para hacer y romper enlaces químicos «.

Así, los expertos sumergieron su electrodo compuesto en agua que fue ligeramente acidificada, lo que significa que contiene iones de hidrógeno cargados positivamente. Estos iones positivos se sintieron atraídos por los grupos de sulfuro de molibdeno y su forma de doble enlace les dio sólo la característica atómica idónea para transmitir electrones desde el conductor grafito hasta los iones positivos. Esta transferencia de electrones volvió los iones positivos en hidrógeno molecular neutro, que burbujeó hacia arriba y lejos como un gas.

DEMANDA GLOBAL DE HIDRÓGENO

Lo más importante que vieron los investigadores es que su catalizador de sulfuro de molibdeno barato tenía potencial para liberar el hidrógeno del agua de forma similar a la eficiencia de un sistema basado en el platino prohibitivamente caro. Entonces, surgió la duda de si podría esta tecnología con la escala de los 55.000 millones de kilogramos por año de demanda global de hidrógeno y en qué terminos sería el costo por kilogramo.

El año pasado, Jaramillo y una docena de los coautores estudiaron cuatro esquemas de producción a escala de fábrica en un artículo para ‘Energy and Environmental Science’. Llegaron a la conclusión de que podría ser posible producir hidrógeno en las instalaciones de electrólisis a escala de fábrica con costos que van desde 1,60 y 10,40 dólares por kilo.

«Hay muchas piezas del rompecabezas todavía necesarias para hacer este trabajo y mucho esfuerzo por delante para darse cuenta de ellas», reconce Jaramillo. «Sin embargo, podemos obtener grandes ganancias al pasar de recursos intensivos en carbono a tecnologías sostenibles renovables para producir los productos químicos que necesitamos para la alimentación y la energía», concluye.

 

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