Hidrógeno, el elemento más abundante del universo, tiene un gran impacto. Y como no contiene carbono, produce solo agua cuando se usa como combustible. Pero en la Tierra el hidrógeno existe con mayor frecuencia en combinación con otros elementos, lo que significa que debe extraerse.

Aprovechar la energía limpia del hidrógeno para aplicaciones energéticas y otros usos, los investigadores están buscando formas asequibles de producir y almacenar hidrógeno.

Una nueva investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) muestra que una combinación de minerales humildes eclipsa a otros materiales de metales preciosos cuando se trata de producir hidrógeno. Con colaboradores de la Universidad Estatal de Oregon (OSU), Los investigadores probaron un catalizador de fosfuro de molibdeno (MoP) con aguas residuales en un pequeño reactor llamado celda de electrólisis microbiana (MEC). Los resultados de las pruebas mostraron que MoP funcionó mejor que el platino, un metal precioso y caro que se utiliza normalmente por su alto rendimiento catalítico. El catalizador MoP también produjo hidrógeno cinco veces más rápido que otros catalizadores sin platino reportados en estudios relacionados.

¿Pero el verdadero truco? Su catalizador también funcionó bien con agua de mar.

"Si puedes producir hidrógeno a partir del agua de mar, el grupo de recursos es prácticamente ilimitado, "dijo Yuyan Shao, un científico de materiales en PNNL que dirigió la investigación de catalizadores.

Como agua de mar el material catalizador MoP está ampliamente disponible, y por lo tanto, barato. El catalizador también trabajó con aguas residuales, otro recurso omnipresente.

Los detalles del estudio del equipo aparecen en la revista. Catálisis ACS . Los hallazgos provienen de un proyecto de tres años financiado por la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible del Departamento de Energía.

Una mejor alternativa

Uno de los métodos más comunes para producir hidrógeno es un proceso llamado electrólisis. Este proceso combina electricidad con varios productos químicos, llamados electrolitos, y un material catalizador sólido. La reacción resultante produce hidrógeno, pero todo el proceso utiliza mucha energía y recursos costosos como el platino.

La fermentación utilizando fuentes renovables o corrientes de desechos es prometedora para una producción de hidrógeno asequible. Pero el proceso de fermentación funciona lentamente, los rendimientos son bajos, y la corriente de producto requiere una limpieza costosa debido a otros subproductos de la fermentación. En MEC, una corriente eléctrica se acopla con bacterias para descomponer los orgánicos y producir hidrógeno. Desafortunadamente, las celdas también usan platino costoso para la superficie de reacción, y si se utilizan catalizadores que no son de platino, los rendimientos de hidrógeno siguen siendo bajos.

En OSU, Los investigadores desarrollaron un diseño MEC híbrido en el que la fermentación y la electrólisis se llevan a cabo en una sola olla en lugar de pasos separados. y los subproductos se consumen directamente en el proceso. Este diseño integrado aumenta la productividad y reduce los costos de los equipos. Pero con el alto costo del platino, el equipo necesitaba un catalizador que pudiera reducir los costos de producción a alrededor de dos dólares por kilogramo de hidrógeno.

Sorpresa de la segunda fase

Sobre la base de descubrimientos anteriores con el catalizador MoP, Los investigadores de PNNL investigaron el catalizador para su uso en MEC. El equipo de investigación comenzó con la combinación MoP debido a su afinidad para activar, o separando, moléculas de agua. El catalizador también se puede ajustar:se puede ajustar la cantidad de cada mineral. Según la hipótesis del equipo, este ajuste optimizaría la cantidad de hidrógeno producido en una sola reacción.

En parte tenían razón.

Bajo un poderoso microscopio, descubrieron que el catalizador se ensamblaba en una mezcla de dos fases cristalinas distintas:MoP y MoP ₂ . La estructura atómica de cada fase era diferente, conduciendo a diferentes reacciones. Mientras que MoP2 liberó átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, MoP convirtió los átomos de hidrógeno en moléculas de gas hidrógeno. Los dos sitios activos impulsaron la reacción general.

"No esperábamos la formación simultánea de las dos fases cristalinas, "dijo Shao." Las dos fases funcionan mucho mejor que la fase única ".

Los investigadores realizaron sus experimentos en condiciones de pH neutro tanto en la celda híbrida en OSU usando aguas residuales como en otro reactor en PNNL usando agua de mar. con resultados consistentes. Shao dijo que estos hallazgos dan a los investigadores la confianza de que el método es sólido, elimina el platino y otros subproductos, y es muy prometedor para el avance de las tecnologías de pilas de combustible e hidrógeno.