Si bien los automóviles propulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno ofrecen claras ventajas sobre los vehículos eléctricos que están ganando popularidad (incluida su mayor autonomía, su menor impacto ambiental general, y el hecho de que se pueden repostar en minutos, versus horas de tiempo de carga), todavía tienen que despegar con los consumidores. Una razón es el alto costo y la complejidad de producir, distribuido, y almacenar el hidrógeno puro necesario para alimentarlos, lo que ha obstaculizado el despliegue de estaciones de repostaje de hidrógeno.

Los ingenieros han reconocido desde hace mucho tiempo el poder y la disponibilidad ilimitada del hidrógeno, el elemento más abundante del universo. El hidrógeno se produce de forma natural en el medio ambiente, pero casi siempre está químicamente unido a otros elementos:al oxígeno en el agua (H2O), por ejemplo, o al carbono en metano (CH4). Para obtener hidrógeno puro, debe estar separado de una de estas moléculas. Prácticamente todo el hidrógeno producido en los Estados Unidos se obtiene de combustibles de hidrocarburos, principalmente gas natural, mediante reformado con vapor, un proceso de varios pasos en el que los hidrocarburos reaccionan con vapor de agua a alta temperatura en presencia de un catalizador para producir monóxido de carbono, dióxido de carbono, e hidrógeno molecular (H2).

Luego, el hidrógeno se puede separar de los otros gases a través de un engorroso, proceso químico de varios pasos, pero el costo y la complejidad de la producción de hidrógeno se pueden reducir usando una membrana para hacer la separación. La mayoría de las membranas de separación de hidrógeno que se están desarrollando actualmente utilizan el metal precioso paladio, que tiene una solubilidad y permeabilidad de hidrógeno inusualmente altas (lo que significa que el hidrógeno se disuelve fácilmente y viaja a través del metal, mientras que otros gases están excluidos). Pero el paladio es caro (actualmente se vende a unos 900 dólares la onza) y frágil.

Por estas razones, Los ingenieros químicos han buscado durante mucho tiempo alternativas al paladio para su uso en membranas de separación de hidrógeno, pero hasta ahora, no han surgido candidatos adecuados. Un estudio pionero dirigido por Ravindra Datta, profesor de ingeniería química en Worcester Polytechnic Institute (WPI), puede haber identificado la esquiva alternativa del paladio:los metales líquidos.

Una gran cantidad de metales y aleaciones son líquidos a las temperaturas de funcionamiento estándar que se encuentran en los sistemas de reformado con vapor (alrededor de 500 grados C), y la mayoría de estos son mucho menos costosos que el paladio. Además, una membrana hecha con una película de metal líquido no debe ser propensa a los defectos y grietas que pueden inutilizar una membrana de paladio.

El estudio WPI, publicado en el Revista del Instituto Americano de Ingenieros Químicos , es el primero en demostrar que, además de estas ventajas, Las membranas de metal líquido también parecen ser significativamente más efectivas que el paladio para separar el hidrógeno puro de otros gases. sugiriendo que pueden proporcionar una solución práctica y eficaz al desafío de suministrar hidrógeno asequible para vehículos de pila de combustible. "El reciente cambio a los coches eléctricos es irreversible, ", dijo Datta. El siguiente paso después de los vehículos eléctricos, él y otros creen, son vehículos de combustible de hidrógeno, si se resuelve el enigma del suministro de hidrógeno.

Como coches eléctricos a batería, Los vehículos de pila de combustible tienen motores eléctricos. Los motores funcionan con electricidad generada dentro de la celda de combustible cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan en presencia de un catalizador (el único producto de "desecho" es el agua). Si bien pueden extraer oxígeno del aire, los coches deben llevar un suministro de hidrógeno puro.

Muchos investigadores se han centrado en reducir el costo de ese hidrógeno mediante la fabricación de membranas de paladio mejores y más delgadas. Algunas de las membranas más avanzadas fueron producidas por el profesor retirado de ingeniería química de WPI, Yi Hua "Ed" Ma, OMS, con una financiación considerable de la industria y del Departamento de Energía de EE. UU., fue pionero en un proceso para unir paladio a un tubo de acero poroso, resultando en capas de paladio tan delgadas como 5 a 10 micrones.

Hacer que la capa de paladio sea más delgada aumenta el flujo de la membrana, o la velocidad a la que el hidrógeno puro se mueve a través de él. "Pero si una membrana es demasiado delgada, "Datta dijo, "se vuelve frágil o desarrolla defectos. Y las membranas deben estar libres de defectos. Si desarrollan incluso una grieta fina o un microporo, tienes que empezar de nuevo ".

Hace seis años, Datta y sus estudiantes comenzaron a preguntarse si los metales líquidos podrían superar algunas de las limitaciones del paladio, particularmente su costo y fragilidad, mientras que también, potencialmente, ofreciendo una solubilidad y permeabilidad superiores al hidrógeno. "Además de la afinidad química, la permeabilidad depende de cuán abierta esté la estructura de un cristal metálico, ", dijo." Los metales líquidos tienen más espacio entre los átomos que los metales sólidos, por lo que su solubilidad y capacidad de difusión deberían ser mayores ".

Después de que una revisión de la literatura no reveló ninguna investigación previa sobre este tema, Datta solicitó con éxito un premio de $ 1 millón del Departamento de Energía de EE. UU. Para estudiar la viabilidad de usar metales líquidos para la separación de hidrógeno. él y su equipo, los estudiantes de posgrado Pei-Shan Yen y Nicholas Deveau (Yen obtuvo su doctorado en 2016; Deveau recibió el suyo en mayo), decidió comenzar su exploración con galio, un metal no tóxico que es líquido a temperatura ambiente.

Realizaron un trabajo fundamental que reveló que el galio era un excelente candidato, ya que demostró una permeabilidad al hidrógeno significativamente mayor que el paladio a temperaturas elevadas. De hecho, Los estudios de laboratorio y el modelado teórico realizados por el equipo mostraron que varios metales que son líquidos a temperaturas más altas pueden tener una mejor permeabilidad al hidrógeno que el paladio.

Si bien el galio líquido se mostró muy prometedor como material para la separación de hidrógeno, crear una membrana funcional con el metal resultó ser un desafío, Dijo Datta. "Resulta que los metales líquidos son muy reactivos, ", dijo." No se puede colocar galio sobre un soporte de metal poroso, como hizo el profesor Ma con el paladio, ya que a temperaturas más altas forma rápidamente compuestos intermetálicos que matan la permeabilidad ”. El equipo descubrió que el metal también reacciona con varios materiales cerámicos comúnmente utilizados como soportes en membranas de paladio.

A través del modelado y la experimentación, compilaron una lista de materiales, incluyendo materiales a base de carbono como grafito y carburo de silicio, que no reaccionan químicamente con el galio líquido pero que también son humectables por el metal líquido, lo que significa que el metal se extenderá para formar una película delgada sobre el material de soporte.

Consciente de que es probable que la tensión superficial de los metales líquidos cambie en respuesta a las variaciones de temperatura y la composición de los gases a los que están expuestos, potencialmente produciendo fugas, decidieron insertar el metal entre dos capas de material de soporte para crear una membrana de metal líquido intercalada o SLiMM. Membrana que consta de una capa delgada (dos décimas de milímetro) de galio líquido entre una capa de carburo de silicio y una capa de grafito, se construyó en el laboratorio y se probó su estabilidad y permeabilidad al hidrógeno.

La membrana se expuso a una atmósfera de hidrógeno durante dos semanas a temperaturas que oscilaban entre 480 y 550 grados C. Los resultados mostraron que la película de galio líquido era hasta 35 veces más permeable al hidrógeno que una capa comparable de paladio y que la difusión del hidrógeno a través la membrana intercalada era considerablemente más alta que la de una membrana de paladio típica. La prueba también mostró que las membranas eran selectivas, permitiendo que pase solo el hidrógeno.

"Estas pruebas confirmaron nuestra hipótesis de que los metales líquidos pueden ser candidatos adecuados para las membranas de separación de hidrógeno, "Datta dijo, "lo que sugiere que estos materiales podrían ser el sustituto del paladio buscado durante mucho tiempo. Hay una gran cantidad de preguntas que aún deben responderse, incluso si las pequeñas membranas que construimos en el laboratorio se pueden ampliar y si las membranas serán resistentes a las sustancias presentes en los gases reformados (incluidos el monóxido de carbono y el azufre) que se sabe que envenenan las membranas de paladio.

"Pero al demostrar la viabilidad de las membranas de metal líquido intercaladas, hemos abierto la puerta a una nueva área muy prometedora de investigación de la energía del hidrógeno, "Datta agregó, "porque hay muchos otros metales y aleaciones, más allá del galio, que son líquidos a 500 grados C. Es un vasto campo abierto, en términos de los materiales que podría utilizar. También, plantea una serie de interesantes cuestiones científicas ".