¿Cómo se puede producir hidrógeno verde de forma más eficiente y económica? Pequeñas partículas de rutenio y sistemas solares de electrólisis del agua podrían proporcionar la respuesta. Esta es la solución identificada por un equipo conjunto compuesto por el Instituto Italiano de Tecnología (IIT) de Génova y BeDimensional S.p.A. (una empresa derivada del IIT).
La tecnología, desarrollada en el marco de las actividades del laboratorio conjunto y publicada recientemente en dos revistas de alto impacto (Nature Communications y Journal of the American Chemical Society), se basa en una nueva familia de electrocatalizadores que podrían reducir el coste de la producción de hidrógeno verde a escala industrial.
El hidrógeno se considera un vector energético sostenible y una alternativa a los combustibles fósiles. Pero no todo el hidrógeno es igual en lo que respecta al impacto medioambiental. De hecho, el principal método actual para producir hidrógeno es el reformado con vapor de metano, un proceso basado en combustibles fósiles que libera dióxido de carbono (CO2) como subproducto.
El hidrógeno producido mediante este proceso se clasifica en "gris" (el dióxido de carbono se libera a la atmósfera) y "azul" (el dióxido de carbono se captura y almacena geológicamente). Para reducir significativamente las emisiones a cero para 2050, estos procesos deben ser reemplazados por procesos ambientalmente más sostenibles para entregar hidrógeno "verde" (es decir, con emisiones netas cero). El coste del hidrógeno "verde" depende principalmente de la eficiencia energética del dispositivo (electrolizador) que separa las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
Los investigadores del equipo conjunto detrás del descubrimiento han desarrollado un nuevo método que promete una mayor eficiencia que los métodos conocidos actualmente en la conversión de energía eléctrica (el sesgo energético aprovechado al dividir las moléculas de agua) en energía química almacenada en las moléculas de hidrógeno resultantes. El equipo de investigación desarrolló el concepto de catalizador y utilizó energía renovable, como la electricidad generada por paneles solares.
"Nuestro estudio muestra que es posible maximizar la eficiencia de una tecnología madura, a pesar de una inversión inicial ligeramente superior a la necesaria para los electrolizadores estándar. Esto se debe a que utilizamos rutenio, un metal precioso", comentan Zuo Yong y Michele Ferri del Grupo de Nanoquímica del Instituto Politécnico Internacional de Génova.
Los investigadores utilizaron nanopartículas de rutenio, un metal precioso que tiene propiedades químicas similares al platino pero es mucho más barato. Las nanopartículas de rutenio sirven como fase activa en el cátodo del electrolizador, aumentando así la eficiencia del electrolizador en general.
"Evaluamos la actividad catalítica de nuestro material mediante análisis y pruebas electroquímicas en condiciones industriales importantes. Además, las simulaciones teóricas nos permitieron comprender el comportamiento catalítico de las nanopartículas de rutenio a nivel molecular, es decir, comprender el mecanismo de división del agua en su superficie", explican Sebastiano Bellani y Marilena Zappia de BeDimensional, que participaron en el descubrimiento. "Combinando datos experimentales y otros parámetros del proceso, realizamos un análisis tecnoeconómico que demostró que la tecnología es competitiva en comparación con los electrolizadores más modernos".
El rutenio, un metal precioso producido como subproducto de la extracción del platino, se produce en pequeñas cantidades (30 toneladas por año en comparación con las 200 toneladas por año del platino), pero a un costo menor (18,50 dólares por gramo en comparación con los 30 dólares del platino). La nueva tecnología utiliza sólo 40 miligramos de rutenio por kilovatio, en contraste con el uso intensivo de platino (hasta 1 gramo por kilovatio) e iridio (de 1 a 2,5 gramos por kilovatio) del electrolizador de membrana de intercambio de protones, donde el iridio cuesta alrededor de 150 dólares por gramo.
Utilizando rutenio, investigadores del Instituto Indio de Tecnología y BeDimensional han mejorado la eficiencia de los electrolizadores alcalinos, una tecnología que se utiliza desde hace décadas debido a su robustez. Por ejemplo, esta tecnología se utilizó en la cápsula espacial Apolo 11 que envió humanos a la Luna en 1969. Una gama recientemente desarrollada de cátodos a base de rutenio para electrolizadores alcalinos es muy eficiente y tiene una larga vida útil, lo que reduce el coste de la producción de hidrógeno verde.
"En el futuro, planeamos aplicar esta y otras tecnologías, como catalizadores nanoestructurados basados en materiales 2D sostenibles, en electrolizadores mejorados alimentados por fuentes de energía renovables, incluida la electricidad generada por paneles fotovoltaicos", concluyeron los investigadores.
Fuente compilada: ScitechDaily