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Cómo los materiales más abundantes en la corteza terrestre pueden catalizar la producción de energía verde

El proyecto CritCat puede haber matado dos pájaros de un tiro. Al remplazar metales raros por materiales abundantes en la corteza terrestre en reacciones catalíticas, su equipo propone un camino hacia una reducción de la huella de carbono y un abaratamiento del coste de producción para la industria química, al tiempo que aumenta la viabilidad de nuevas tecnologías de conversión de energía.

Economía digital
Energía

La voluntad política de ahorrar recursos y proteger el clima es una de las mayores paradojas de la sociedad, ya que las tecnologías más populares requieren una gran cantidad de energía y dependen de recursos y materiales raros. Un ejemplo común y obvio son los teléfonos inteligentes y su dependencia de metales de tierras raras. Pero lo mismo pasa con los catalizadores: sustancias que aumentan la velocidad de las reacciones químicas que son la clave de las tecnologías de conversión de energía verde. El problema de los catalizadores constituyó el aspecto fundamental del proyecto CritCat (Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design). Su objetivo era sustituir metales críticos raros utilizados en la catálisis heterogénea y electroquímica —generalmente metales del grupo del platino— por materiales abundantes en la corteza terrestre. Durante tres años, el consorcio del proyecto examinó las propiedades de las nanopartículas ultrapequeñas de metales de transición para favorecer el desarrollo de tecnologías emergentes de conversión de energía. Para lograrlo, el equipo disoció de manera consecutiva agua en hidrógeno y oxígeno para identificar metales de transición alternativos a los catalizadores metálicos del grupo del platino, sintetizó muestras, las caracterizó y las utilizó en reacciones químicas de referencia para medir su actividad catalítica. Finalmente, desarrollaron prototipos de electrolizadores con los candidatos más prometedores a fin de investigar su rendimiento.

¿No más prueba y error?

Con todo, la innovación del proyecto no radica únicamente en la identificación de nuevos materiales más baratos. En lugar de utilizar el tradicional proceso de prueba y error experimental, el equipo optó por la inteligencia artificial y las simulaciones por ordenador, en forma de una plataforma de modelización de materiales para el diseño de catalizadores. «Ofrecemos un ecosistema integral, desde simulaciones de estructuras electrónicas (teoría del funcional de la densidad) hasta reacciones reales, e incorporamos algoritmos de aprendizaje automático para racionalizar y controlar superficies de energía potencial complejas para la energía de reacción» explica Jaakko Akola, coordinador de CritCat en nombre de la Universidad de Tampere. A lo que añade: «La plataforma requiere primero datos de entrada de la teoría del funcional de la densidad para que los algoritmos puedan ser entrenados para predecir superficies de energía potencial. El siguiente paso consiste en emplear otros algoritmos de aprendizaje automático para identificar las propiedades características (descriptores) que están íntimamente relacionadas con la actividad catalítica. A medida que la base de datos de la teoría del funcional de la densidad crece, aumenta al unísono la capacidad de la plataforma para predecir las propiedades de los nuevos materiales».

Hacia tecnologías energéticas basadas en el hidrógeno

El prototipo de electrolizador del proyecto constituye un paso importante hacia la producción de energía verde basada en el uso de materiales abundantes en la corteza terrestre. A la larga, podría resolver, por ejemplo, el problema del suministro discontinuo de energía solar o eólica al convertir la electricidad en hidrógeno. De igual manera, la plataforma de modelización del proyecto aún no ha revelado todo su potencial. En primer lugar, si bien la plataforma de modelización aún tiene que ser más eficaz que el método de prueba y error, es muy prometedor que su poder de predicción aumente conforme crece la base de datos de materiales estudiados y las herramientas de aprendizaje automático continúan desarrollándose. La información química adquirida también puede reutilizarse más tarde, a diferencia de la técnica de prueba y error. En segundo lugar, el equipo solo ha acariciado la superficie de las posibles aplicaciones, como señala Akola: «La plataforma ha sido diseñada principalmente para la reacción de evolución del hidrógeno, que es importante para la producción de energía de hidrógeno mediante la disociación del agua. Con todo, nuestro objetivo ha sido crear una infraestructura de modelización que pueda emplearse fácilmente para otras reacciones químicas, tanto de fase gaseosa como electroquímicas». Esto es precisamente en lo que el equipo del proyecto ha estado trabajando desde la finalización de CritCat en junio de 2019. En la actualidad, se centra en el desarrollo de catalizadores y prototipos de dispositivos para pilas de combustible, así como en la conversión de CO2 en combustibles sintéticos.

Palabras clave

CritCat, catalizador, metales raros, abundantes en la corteza terrestre, metales del grupo del platino, metal de transición, hidrógeno, conversión de energía, plataforma de modelización

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