Una nueva investigación de la Universidad Estatal de Oregón, en Estados Unidos, sobre el diseño de catalizadores ha demostrado que se puede producir hidrógeno de forma limpia, con una eficiencia mucho mayor y a un coste menor de lo que es posible con los catalizadores actuales disponibles en el mercado, según publican en la revista ‘Science Advances’.
Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin que ella misma sufra ningún cambio químico permanente.
Los resultados son significativos porque la producción de hidrógeno es importante para «muchos aspectos de nuestra vida, como las pilas de combustible para los coches y la fabricación de muchos productos químicos útiles, como el amoniaco –explica Zhenxing Feng, profesor de ingeniería química de la OSU que dirigió la investigación–. También se utiliza en el refinado de metales, para producir materiales artificiales como los plásticos y para una serie de otros fines».
Producir hidrógeno dividiendo el agua mediante un proceso catalítico electroquímico es más limpio y sostenible que el método convencional de obtención de hidrógeno a partir de gas natural mediante un proceso de producción de dióxido de carbono conocido como reformado con vapor de metano, señala Feng. Pero el coste de esta técnica más ecológica ha sido un obstáculo en el mercado.
Al facilitar los procesos de reacción, los catalizadores a menudo experimentan cambios estructurales, apunta Feng. A veces los cambios son reversibles, otras veces irreversibles, y se cree que la reestructuración irreversible degrada la estabilidad de un catalizador, lo que lleva a una pérdida de actividad catalítica que disminuye la eficiencia de la reacción.
Feng, Maoyu Wang, estudiante de doctorado de la OSU, y sus colaboradores estudiaron la reestructuración de los catalizadores en reacción y, a continuación, manipularon su estructura superficial y su composición a escala atómica para conseguir un proceso catalítico altamente eficiente para producir hidrógeno.
Una fase activa de un catalizador basado en hidróxido de iridio amorfo mostró una eficiencia 150 veces superior a la de su estructura original de perovskita y cerca de tres órdenes de magnitud mejor que el catalizador comercial común, el óxido de iridio.
«Encontramos al menos dos grupos de materiales que sufren cambios irreversibles que resultaron ser catalizadores significativamente mejores para la producción de hidrógeno –explica Feng–. Esto puede ayudarnos a producir hidrógeno a 2 dólares por kilo y, eventualmente, a 1 dólar por kilo. Eso es menos caro que el proceso contaminante de las industrias actuales y ayudará a alcanzar el objetivo de Estados Unidos de cero emisiones para 2030».
Feng señala que la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible del Departamento de Energía de Estados Unidos ha establecido puntos de referencia de tecnologías que pueden producir hidrógeno limpio a 2 dólares por kilogramo para 2025 y a 1 dólar por kilogramo para 2030, como parte del objetivo de Hydrogen Energy Earthshot de reducir el coste del hidrógeno limpio en un 80%, de 5 a 1 dólar por kilogramo, en una década.
La tecnología de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno limpio en la que se centra el grupo de Feng utiliza electricidad procedente de fuentes renovables para dividir el agua y producir hidrógeno limpio. Sin embargo, la eficiencia de la división del agua es baja, precisa, principalmente debido al alto sobrepotencial -la diferencia entre el potencial real y el potencial teórico de una reacción electroquímica- de una media reacción clave en el proceso, la reacción de evolución del oxígeno u OER.
«Los catalizadores son fundamentales para favorecer la reacción de separación del agua, ya que reducen el sobrepotencial y, por tanto, el coste total de la producción de hidrógeno –explica Feng–. Nuestro primer estudio publicado en el JACS Au sentó las bases y, como se demuestra en nuestro artículo de ‘Science Advances’, ahora podemos manipular mejor los átomos de la superficie para diseñar catalizadores con la estructura y la composición deseadas».
