Una producción limpia de hidrógeno con catalizadores bioinspirados
Si queremos que el hidrógeno (H2) ofrezca de verdad tecnologías revolucionarias de energía limpia, su producción debe evitar emitir gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2). Actualmente, esto solo es posible si el H2 se produce a partir de agua usando la electrolisis, usando electricidad renovable, o mediante la foto(electro)catalización, usando luz solar. En cuanto a la electrolisis, una técnica de producción limpia de H2 utiliza electrolizadores de membrana de intercambio de protones, unos dispositivos que usan electricidad para disociar las moléculas de agua (H2O) en H2 y oxígeno (O2) en un proceso electroquímico. Las membranas de intercambio de protones están hechas de un polímero sintético llamado Nafion. Los electrodos suelen contener catalizadores basados en metales nobles, es decir, óxido de iridio para favorecer la evolución del O2 y el platino para producir H2. Aunque la tecnología no es nueva, estos componentes tienen precios prohibitivos y la poca abundancia de los metales nobles en la corteza terrestre hace que estas tecnologías no sean sostenibles. Como alterativa, el equipo de PRODUCE-H2 (PROtotype Demonstration Using low-cost Catalysts for Electrolysis to H2), con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (CEI), desarrolló catalizadores innovadores de producción de H2 basados en elementos abundantes en la Tierra.
Imitar la fotosíntesis
PRODUCE-H2 se basó en los resultados de photocatH2ode, un proyecto anterior que había desarrollado materiales para convertir la luz solar directamente en combustible de H2 inspirándose en la forma en que las microalgas producen H2 como energía usando la luz solar. El proyecto anterior del CEI, photocatH2ode, desarrolló fotoelectrodos que combinaban materiales de recolección de luz (como tintes orgánicos, polímeros conductores y semiconductores) con catalizadores productores de H2 inspirados en la enzima hidrogenasa. «Integramos fotocátodos en celdas fotoelectroquímicas completas capaces de utilizar a luz solar para disociar el agua y producir H2», afirma el investigador principal, Vincent Artero de la Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas de Francia. Durante el proyecto photocatH2ode, el equipo descubrió que la estructura molecular del sulfuro de molibdeno amorfo (un electrocatalizador para la producción de H2) podía manipularse fácilmente para mejorar el rendimiento y la estabilidad. Además, el molibdeno tenía la ventaja de ser abundante. En PRODUCE-H2, gracias a una técnica con patente en tramitación, se formularon diversos materiales compuestos derivados de catalizadores de sulfuro de molibdeno amorfo en tintas catalíticas. A continuación, se probaron los electrocatalizadores en electrolizadores de membrana de intercambio de protones. «Fue la primera vez que se probaba así un catalizador de metales no preciosos. Algunos de los materiales evaluados mostraron buena estabilidad y una actividad razonable en comparación con el platino», explica Artero. Después de probar varios métodos de fabricación de catalizadores, el equipo descubrió que un método de síntesis con precursores baratos mediante un horno de microondas producía rápidamente materiales más activos y estables. «Este método es fácil de ampliar y un análisis del ciclo de vida, realizado con Toyota Motor Europe (que produce vehículos impulsados por H2), indicó los efectos medioambientales y la relación coste-beneficio de dichos catalizadores en comparación con catalizadores de metales nobles», comenta Artero.
Hacia una economía del hidrógeno
Ahora, el equipo de PRODUCE-H2 está trabajando para terminar el desarrollo de un prototipo de electrolizador de membrana de intercambio de protones basado en bioplásticos usando la fabricación por adición. Para continuar avanzando el trabajo, el equipo pretende combinar su catalizador productor de H2 con otros catalizadores de metales no preciosos. Están especialmente interesados en encontrar una forma de sustituir el óxido de iridio, que produce O2, por un catalizador más sostenible, lo que supone un reto más complejo. «También queremos integrar esos catalizadores en nuestro prototipo de electrolizador de membrana de intercambio de protones de bioplástico y unirlo a una célula fotovoltaica para producir H2 a partir de luz solar y agua. Este método alternativo de generación de H2 podría ser más competitivo que la fotoelectrocatálisis a corto plazo», añade Artero. Los resultados de PRODUCE-H2 podrían ayudar a descarbonizar los sistemas de energía, transporte y la industria, y contribuir al desarrollo de una economía del hidrógeno, lo que daría a la Unión Europea una mayor independencia y seguridad energéticas al reducir la dependencia en combustibles fósiles importados.
Palabras clave
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