La idea de utilizar el hidrógeno como base de una fuente de energía limpia y sostenible, a menudo denominada economía del hidrógeno, ha sido un tema de conversación durante décadas. Combustible de hidrógeno, por ejemplo, no emite dióxido de carbono y se considera más sostenible que los combustibles fósiles tradicionales.

El elemento más ligero de la tabla periódica, El hidrógeno es un portador de energía que se puede utilizar para alimentar pilas de combustible en vehículos de transporte. edificios u otra infraestructura. El hidrógeno también puede ayudar a reciclar cosas como la paja, pastos y otra biomasa en productos químicos de alto valor que se utilizan en todo, desde plásticos hasta pintura y artículos de cuidado personal.

Pero la tecnología que impulsa estas innovaciones se ha enfrentado a serios desafíos, principalmente porque la liberación de hidrógeno para estos usos se produce principalmente a través de procesos que requieren combustibles fósiles y tienen un costo ambiental:el dióxido de carbono.

Ahora, El ingeniero de la Universidad de Delaware, Feng Jiao, ha patentado un proceso que puede ser la clave para producir hidrógeno más ecológico a partir del agua utilizando electricidad y un catalizador de cobre y titanio.

Enfoque en las energías renovables

Jiao, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y director asociado del Centro de Ciencia y Tecnología Catalítica de la UD, no siempre estuvo interesado en la electrólisis del agua, que utiliza electricidad para reducir el agua en moléculas de oxígeno y gas hidrógeno. Cuando se incorporó por primera vez a la facultad de la UD en 2010, su programa de investigación se centró en la capacidad de almacenamiento de energía de las baterías.

"Pero nos dimos cuenta de que las baterías son una tecnología cara para el almacenamiento de energía a gran escala, entonces mi laboratorio comenzó a enfocarse en formas beneficiosas de usar la electricidad en su lugar, "Dijo Jiao." La conversión química es una forma de hacer esto ".

Inicialmente, Jiao y su equipo de investigación se centraron en el desarrollo de procesos para convertir el dióxido de carbono en productos químicos útiles, como el etanol que se puede utilizar en combustibles sintéticos, o etileno que se puede usar para producir polímeros y plásticos. Un proyecto, financiado por la National Science Foundation y más tarde por la National Aeronautics and Space Administration (NASA), exploraron formas de convertir el dióxido de carbono en oxígeno, algo que sería muy útil para la exploración del espacio profundo. Jiao y sus estudiantes desarrollaron un sistema eficiente, pero descubrieron que necesitaban un mejor catalizador para impulsar la reacción.

Mientras probaban diferentes metales para el trabajo, los investigadores descubrieron inesperadamente que una aleación de cobre y titanio se encuentra entre las pocas no preciosas, catalizadores a base de metal que pueden dividir el agua en gas hidrógeno y oxígeno, un proceso denominado desprendimiento de hidrógeno. Tanto el cobre como el titanio se consideran económicos y relativamente abundantes en comparación con los metales preciosos. como plata o platino, típicamente adecuado para el trabajo.

El hidrógeno se produce actualmente utilizando lo que se conoce como reformado de vapor-metano, donde se emplean gas natural y altas temperaturas para liberar moléculas de hidrógeno del metano. Jiao lo llama un "proceso sucio" porque cuando se elimina el gas hidrógeno, todo lo que queda es carbono, generalmente en forma de dióxido de carbono.

"Entonces, puedes producir hidrógeno a bajo precio, pero a un costo ambiental:emisiones de dióxido de carbono, "dice Jiao.

Esto hizo que Jiao pensara en formas más limpias de producir hidrógeno sin el costo ambiental.

Limpiador, procesos más ecológicos

Se sabe que el cobre es bueno para conducir tanto el calor como la electricidad. Por eso es el material de elección para el cableado eléctrico de nuestros hogares, utensilios de cocina electrónica, piezas de vehículos de motor, incluso piezas de aire acondicionado y calefacción del hogar.

Sin embargo, el cobre solo no es eficaz para producir hidrógeno. Pero agregue algo de química interesante, y un poquito de titanio, y de repente se abre un mundo de posibilidades para crear catalizadores que ejercen su influencia y sirven al medio ambiente.

"Con un poco de titanio, the copper catalyst behaves about 100 times better than copper alone, " said Jiao. This is because, when paired together, the two metals create uniquely active sites that help the hydrogen atoms strongly interact with the catalyst surface in a way that is comparable to the performance of much more expensive platinum-based catalysts.

While traditional chemical processes start with fossil fuels, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, " said Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), for the most part, también, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, también, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, manufacturing, and once you can build a product, you can commercialize and export it, "dijo Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in Catálisis ACS , a journal of the American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.