El hidrógeno es una fuente sostenible de energía limpia. Evita las emisiones tóxicas y puede agregar valor a múltiples sectores como el transporte, la generación de energía, y la fabricación de metales. Por ese motivo los científicos continúan investigaciones para mejorar las técnicas de producción de hidrógeno.

La energía de hidrógeno es una apuesta fuerte por la sostenibilidad. Un kilogramo de hidrógeno libera más energía que cualquier otro combustible. Esto es casi el triple de la gasolina o gas natural. Además, para liberar esa energía no emite dióxido de carbono. Sólo vapor de agua, por lo que el impacto ambiental es nulo.

Los procesos de producción de hidrógeno requieren extraer el hidrógeno de otra molécula. Las dos moléculas principales y más abundantes son el agua y los hidrocarburos.

Producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos

Los métodos de producción de hidrogeno más habituales emplean hidrocarburos para generar hidrógeno gaseoso. Estos son:

🌌 Reformado de vapor de gas natural

El proceso de reformado del vapor se conoce como Steam Reforming. Habitualmente lo encontramos en la literatura técnica como SR por sus siglas en inglés.

Es uno de los procesos más comunes en la industria. Los principales motivos son los costes asociados son bajos respecto a otras alternativas y las eficiencias mayores. Este proceso se lleva a cabo en dos etapas para aumentar su eficiencia. En la primera se utiliza un reactor catalítico para producir hidrógeno, produciendo de paso monóxido de carbono. La segunda etapa sucede en un segundo reactor para nuevamente producir hidrógeno y dióxido de carbono.  Este método utiliza hidrocarburos ligeros, como el metano y el etano.

🌌 Gasificación del carbón

Este proceso consiste en llevar carbón a temperaturas superiores a los 1000 ◦C en un ambiente controlado para evitar la combustión. De esta forma, pasa a estado gaseoso y al mezclarlo con agua, se obtiene hidrógeno y monóxido de carbono. Además, el monóxido de carbono se mezcla con agua nuevamente en un segundo reactor a 400 ◦C donde se genera hidrógeno y dióxido de carbono.

Si bien este proceso es utilizado en la industria debido a su relativa simpleza, es evidente que se generan gases de efecto invernadero. Estos deben ser captados y tratados adecuadamente para no provocar emisiones indeseadas, siendo por lo tanto un método no deseado en el ciclo del hidrógeno limpio.

🌌 Oxidación de hidrocarburos

Este proceso consiste en incorporar oxígeno, vapor de agua y algún hidrocarburo en estado líquido o gaseoso a un reactor a presiones elevadas. El objetivo es provocar una reacción exotérmica de oxidación.

Este proceso es utilizado principalmente para obtener hidrógeno a partir de hidrocarburos pesados o con impurezas. Por ese motivo, no son aptos para emplear el método de reformado de vapor.

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Producción de hidrógeno a partir de agua

Si bien los métodos a base de hidrocarburos utilizan agua, existen procesos que sólo utilizan agua como materia prima para extraer hidrógeno. Estos procesos no implican la generación de gases de efecto invernadero ni emisiones contaminantes indeseadas. De ahí el interés en mejorarlos para avanzar hacia la descarbonización del planeta. Los métodos más habituales son:

🌌 Electrólisis

 La electrolisis es un proceso electroquímico que consiste en provocar en someter a las moléculas de agua a un campo eléctrico externo mayor que el campo eléctrico interno de la molécula. Así conseguimos separar la molécula obteniendo hidrógeno y oxígeno.

Para llevar a cabo el proceso se sumergen dos electrodos. Estos están sometidos a una diferencia de potencial eléctrico dentro de una solución acuosa. De esta manera los electrodos provocan un campo eléctrico suficientemente fuerte como para separar en iones (O− y H+) los elementos presentes en las moléculas de agua. Estos se combinan generando gases de oxígeno e hidrógeno.

🌌 Termólisis

La termólisis es el proceso en el cual se eleva lo suficiente la temperatura de la molécula de agua como para romper sus enlaces separando así el hidrógeno del oxígeno. Esto se logra sobre los 2200 ◦C de temperatura.

El procedimiento consiste en poner en contacto agua con una superficie a alta temperatura para que absorba una gran cantidad de energía calórica. Así, podemos separar la molécula en los elementos que la componen. Se debe tener la precaución de extraer rápidamente los gases resultantes debido a que esta reacción es reversible. Esto implica que el oxígeno y el hidrógeno podrían recombinarse en agua liberando mucha energía llegando incluso a ser una reacción explosiva.

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Nuevos catalizadores para la producción de hidrógeno

La revista Proceedings of the National Academy of Sciences ha publicado un interesante artículo en este sentido. Los investigadores han diseñado un material eficaz para acelerar uno de los pasos limitantes en la extracción de hidrógeno de los alcoholes. Este material es un catalizador. Está hecho de pequeños grupos de níquel metálico anclado sobre un sustrato 2D.

El catalizador podría acelerar de manera limpia y eficiente la reacción que elimina los átomos de hidrógeno de un vehículo químico líquido. El material es robusto y está hecho de metales abundantes en la tierra. Su principal aportación es ayudar al hidrógeno para convertirse en una fuente de energía viable para una amplia gama de aplicaciones.

Los compuestos químicos que actúan como catalizadores se usan comúnmente para aumentar la velocidad de una reacción química sin que se consuma el compuesto en sí. Pueden mantener una molécula en particular en una posición estable o servir como intermediario que permite que un paso importante se complete de manera fiable.

Los catalizadores más efectivos para la reacción química que produce hidrógeno están hechos de metales preciosos. Sin embargo, esos catalizadores están asociados con altos costes. Además, tienen los inconvenientes de escasez y alto grado contaminación.

Existen otros catalizadores menos costosos, hechos de metales más comunes. Estos son menos efectivos y menos estables. Esto limita su actividad y su despliegue práctico en las industrias de producción de hidrógeno.

   El avance con níquel metálico

Para mejorar el rendimiento y la estabilidad de estos catalizadores a base de metales abundantes en la tierra, Urban y sus colegas modificaron una estrategia que se centra en grupos diminutos y uniformes de níquel metálico. Los grupos pequeños son importantes porque maximizan la exposición de la superficie reactiva en una cantidad determinada de material. Pero también tienden a agruparse, lo que inhibe su reactividad.

En esta investigación se diseñó un experimento que combatió la formación de grumos depositando racimos de níquel de 1,5 nanómetros de diámetro. Se utilizó un sustrato 2D hecho de boro y nitrógeno diseñado para albergar una red de hoyuelos a escala atómica. Los racimos de níquel se dispersaron uniformemente y se anclaron de forma segura en los hoyuelos.

Este diseño no solo previno la formación de grumos, sino que sus propiedades térmicas y químicas mejoraron enormemente el rendimiento general del catalizador al interactuar directamente con los grumos de níquel.

Los investigadores identificaron cambios en las propiedades físicas y químicas de las láminas 2D. Mientras que pequeños grupos de níquel ocupan regiones prístinas de las láminas e interactúan con los bordes cercanos. Los grupos diminutos y estables facilitaron la acción en los procesos. Esto sucede porque el hidrógeno se separa de su vehículo líquido, dotando al catalizador de excelente selectividad, productividad y rendimiento estable.

   Mejor ratio de sostenibilidad en la producción de hidrógeno

Estos nuevos catalizadores reducen las tasas de contaminación ambiental. Por ese motivo se consideran más sostenibles.

La explicación técnica de este avance se basa en el comportamiento de los átomos. Los átomos de metal desnudo, atrajeron más fácilmente el portador líquido que las partículas metálicas más grandes. Estos átomos expuestos también facilitaron los pasos de la reacción química que elimina el hidrógeno del portador. Al mismo tiempo se evita la formación de contaminantes que pueden obstruir la superficie del grupo.

Por lo tanto, el material permaneció libre de contaminación durante los pasos clave en la reacción de producción de hidrógeno.

En palabras del jefe de investigación Urban: “La contaminación puede hacer inviables posibles catalizadores de metales no preciosos. Nuestra plataforma aquí abre una nueva puerta para diseñar esos sistemas”.

 

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El apoyo de esta línea de investigación

En su catalizador, los investigadores lograron el objetivo de crear un material estable, relativamente económico y fácilmente disponible que ayuda a eliminar el hidrógeno de los vehículos líquidos para su uso como combustible.

Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE para desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno para cumplir con los objetivos de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE y optimizar los materiales para su uso futuro en vehículos.

Las líneas de investigación futuras perfeccionarán aún más la estrategia de modificar los sustratos 2D. De manera que admitan pequeños grupos de metales, para desarrollar catalizadores aún más eficientes. La técnica podría ayudar a optimizar el proceso de extracción de hidrógeno de vehículos químicos líquidos.

Esta investigación ha sido apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE y la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de EERE.

Las tecnologías para almacenar y transportar hidrógeno acortan la brecha entre la producción de energía sostenible y el uso de combustible. Por lo tanto, son un componente esencial para el desarrollo de una economía verde.

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