Las tecnologías de almacenamiento eficientes son necesarias para que la energía solar y eólica ayude a satisfacer las crecientes demandas de energía. Un enfoque importante es el almacenamiento en forma de hidrógeno extraído del agua mediante energía solar o eólica. Este proceso tiene lugar en un llamado electrolizador. Gracias a un nuevo material desarrollado por investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y Empa, Es probable que estos dispositivos sean más baratos y eficientes en el futuro. El material en cuestión actúa como catalizador que acelera la división de las moléculas de agua:el primer paso en la producción de hidrógeno. Los investigadores también demostraron que este nuevo material se puede producir de manera confiable en grandes cantidades y demostraron su capacidad de rendimiento dentro de una celda técnica de electrólisis, el componente principal de un electrolizador. Los resultados de su investigación han sido publicados en la edición actual de la revista científica. Materiales de la naturaleza .

Dado que la energía solar y eólica no siempre está disponible, solo contribuirá significativamente a satisfacer las demandas de energía una vez que se haya desarrollado un método de almacenamiento confiable. Un enfoque prometedor para este problema es el almacenamiento en forma de hidrógeno. Este proceso requiere un electrolizador, que utiliza electricidad generada por energía solar o eólica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno sirve como portador de energía. Puede almacenarse en tanques y luego transformarse nuevamente en energía eléctrica con la ayuda de pilas de combustible. Este proceso se puede realizar localmente, en lugares donde se necesita energía, como residencias domésticas o vehículos de pila de combustible, permitiendo la movilidad sin emisión de CO2.

Económico y eficiente

Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han desarrollado un nuevo material que funciona como catalizador dentro de un electrolizador y, por lo tanto, acelera la división de las moléculas de agua:el primer paso en la producción de hidrógeno. Actualmente existen dos tipos de electrolizadores en el mercado:uno es eficiente pero caro porque sus catalizadores contienen metales nobles como el iridio. Los otros son más baratos pero menos eficientes ”, explica Emiliana Fabbri, investigador del Instituto Paul Scherrer. "Queríamos desarrollar un catalizador eficiente pero menos costoso que funcionara sin usar metales nobles".

Explorando este procedimiento, Los investigadores pudieron utilizar un material que ya había sido desarrollado:un intrincado compuesto de los elementos bario, estroncio, cobalto, hierro y oxígeno:una llamada perovskita. Pero fueron los primeros en desarrollar una técnica que permitía su producción en forma de minúsculas nanopartículas. Esta es la forma requerida para que funcione de manera eficiente, ya que un catalizador requiere una gran superficie en la que muchos centros reactivos pueden acelerar la reacción electroquímica. Una vez que las partículas de catalizador individuales se han hecho lo más pequeñas posible, sus respectivas superficies se combinan para crear una superficie total mucho mayor.

Los investigadores utilizaron un dispositivo llamado rociador de llama para producir este nanopolvo:un dispositivo operado por Empa que envía las partes constituyentes del material a través de una llama donde se fusionan y solidifican rápidamente en pequeñas partículas una vez que salen de la llama. "Teníamos que encontrar una forma de operar el dispositivo que garantizara de manera confiable la solidificación de los átomos de los diversos elementos en la estructura correcta, "enfatiza Fabbri." También pudimos variar el contenido de oxígeno cuando fue necesario, permitiendo la producción de diferentes variantes de material ".

Pruebas de campo exitosas

Los investigadores pudieron demostrar que estos procedimientos funcionan no solo en el laboratorio sino también en la práctica. El método de producción proporciona grandes cantidades de catalizador en polvo y puede estar disponible para uso industrial. "Estábamos ansiosos por probar el catalizador en condiciones de campo. Por supuesto, Tenemos instalaciones de prueba en PSI capaces de examinar el material, pero su valor depende en última instancia de su idoneidad para las celdas de electrólisis industrial que se utilizan en electrolizadores comerciales. "dice Fabbri. Los investigadores probaron el catalizador en cooperación con un fabricante de electrolizadores en los EE. UU. y pudieron demostrar que el dispositivo funcionaba de manera más confiable con la nueva perovskita producida por PSI que con un catalizador de óxido de iridio convencional.

Examinar en milisegundos

Los investigadores también pudieron realizar experimentos precisos que proporcionaron información precisa sobre lo que sucede en el nuevo material cuando está activo. Esto implicó estudiar el material con rayos X en Swiss Light Source SLS de PSI. Esta instalación proporciona a los investigadores una estación de medición única capaz de analizar el estado de un material en períodos de tiempo sucesivos de solo 200 milisegundos. "Esto nos permite monitorear los cambios en el catalizador durante la reacción catalítica:podemos observar cambios en las propiedades electrónicas o la disposición de los átomos, "dice Fabbri. En otras instalaciones, cada medición individual tarda unos 15 minutos, proporcionando solo una imagen promediada en el mejor de los casos ". Estas mediciones también mostraron cómo las estructuras de las superficies de las partículas cambian cuando las partes activas del material se vuelven amorfas, lo que significa que los átomos en áreas individuales ya no están dispuestos uniformemente. Inesperadamente, esto hace que el material sea un mejor catalizador.