El agua de mar se divide mediante electrólisis para producir hidrógeno verde
Los científicos han encontrado una inteligente forma de generar hidrógeno directamente del agua de mar salada. Este podría ser otro paso hacia un futuro de energía limpia, si las energías renovables impulsan el proceso.
El nuevo dispositivo realiza algunas modificaciones químicas a las tecnologías existentes, lo que hace posible extraer hidrógeno del agua de mar no tratada ni purificada, lo que podría aliviar las preocupaciones sobre el uso de valiosos suministros de agua.
"Hemos dividido el agua de mar natural en oxígeno e hidrógeno para producir hidrógeno verde por electrólisis, usando un catalizador barato y no precioso en un electrolizador comercial", explica el ingeniero químico Shizhang Qiao de la Universidad de Adelaide en Australia.
Tradicionalmente, el combustible de hidrógeno se ha fabricado con gas natural, pero también se puede fabricar mediante electrólisis.
La electrólisis es una reacción de división del agua que usa electricidad para sacar átomos de hidrógeno de las moléculas de agua en forma de codo, y un electrolizador es un dispositivo en el que eso sucede.
En este momento, este proceso se puede lograr utilizando electricidad de combustibles fósiles o de fuentes de energía renovables, pero ambos sistemas requieren agua dulce. Encontrar una manera de lograr la electrólisis con agua de mar podría hacer que el futuro de la producción de combustible de hidrógeno verde sea mucho más sostenible.
Los investigadores han estado tratando de desarrollar una alternativa a los electrolizadores comerciales, que solo funcionan con agua dulce purificada, debido a la preocupación por la escasez de agua. El agua dulce accesible representa solo el 1 por ciento del agua total de la Tierra, pero existe un suministro prácticamente ilimitado de agua de mar que podría utilizarse.
Si bien las preocupaciones sobre la escasez de agua son válidas, estimaciones recientes sugieren que la cantidad de agua necesaria para sostener el uso futuro de hidrógeno es mucho, mucho menor que los billones de litros de agua que se usan para extraer y quemar combustibles fósiles en la actualidad.
Sin embargo, los científicos aún son conscientes de los impactos ambientales. Durante décadas, han estado tratando de desarrollar dispositivos para producir hidrógeno a partir de agua de mar, pero se han encontrado con varios obstáculos.
Cuando se introducen en un electrolizador, los iones de cloro no deseados en el agua de mar erosionan los materiales del catalizador destinados a impulsar la reacción de división del agua que produce hidrógeno. También se forman grandes precipitados insolubles que bloquean los sitios de reacción y dificultan la producción a gran escala.
El nuevo sistema desarrollado por Qiao y sus colegas evita ambos problemas.
Imagen: Investigación sobre el origen del OH− generado localmente en agua de mar natural.
Como se describe en su nuevo artículo, los investigadores colocaron una sustancia ácida de Lewis dura sobre una serie de catalizadores de óxido de cobalto comunes para dividir las moléculas de agua. En una serie de pruebas, los catalizadores modificados resistieron el ataque del cloro y evitaron la formación de precipitados.
"Esta es una estrategia general que se puede aplicar a diferentes catalizadores sin la necesidad de diseñar específicamente catalizadores y electrolizadores", escriben los investigadores en su artículo publicado.
Si bien suena prometedor, el esfuerzo de décadas para desarrollar electrolizadores de agua de mar debería servir como un recordatorio de los desafíos futuros en la comercialización de esta o cualquier otra tecnología.
"La electrólisis directa del agua de mar sin el proceso de purificación y los aditivos químicos es muy atractiva y se ha investigado durante unos 40 años, pero los desafíos clave de esta tecnología permanecen tanto en la ingeniería de catalizadores como en el diseño de dispositivos", señalan los investigadores.
El reciente progreso es alentador, y este nuevo dispositivo es uno de los muchos intentos prometedores de generar hidrógeno a partir del agua de mar.
Por ejemplo, científicos de China y Australia desarrollaron recientemente un dispositivo prototipo diseñado para flotar en la superficie del océano y dividir el hidrógeno del agua de mar utilizando energía solar. Otro prototipo en proceso adopta un enfoque totalmente diferente, recolectando agua del aire húmedo antes de extraer hidrógeno.
Por supuesto, los prototipos están muy lejos de los métodos a escala industrial, por lo que es bueno tener en proceso una combinación saludable de sistemas potenciales para ver cuáles funcionan.
Qiao y sus colegas están trabajando para ampliar su sistema mediante el uso de un electrolizador más grande. Pero muchos factores pueden hacer o deshacer una tecnología potencial.
La comercialización de cualquier proceso se reduce al costo de los materiales, los insumos de energía y la eficiencia a escala, donde las pequeñas ganancias pueden marcar una gran diferencia en la cantidad de hidrógeno que se produce.
El cobalto, el material utilizado en los catalizadores de óxidos metálicos, tampoco está exento de problemas. Como cualquier metal precioso utilizado en baterías o paneles solares, debe extraerse de forma sostenible y reciclarse cuando sea posible.
Después de probar la durabilidad de su configuración, Qiao y sus colegas creen que sus catalizadores modificados pueden llegar hasta el final. Su sistema puede ofrecer resultados similares a los de un electrolizador comercial bajo las mismas bajas temperaturas y condiciones operativas.
La investigación ha sido publicada en Nature Energy: Direct seawater electrolysis by adjusting the local reaction environment of a catalyst