Un equipo de científicos dirigido por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha descubierto los parámetros que determinan la eficiencia de una clase de catalizadores de bajo costo llamados óxidos de espinela, un descubrimiento que rompe un cuello de botella en la extracción de hidrógeno del agua a través de la electrólisis. el proceso de dividir el agua con electricidad.

Un desafío importante de este proceso radica en la pérdida de energía a medida que tienen lugar las reacciones químicas involucradas en la electrólisis del agua. aumentando el costo de producción de hidrógeno a través de este método. Por tanto, los catalizadores son necesarios para acelerar estas reacciones químicas.

Óxidos de espinela, que suelen estar hechos de metales de transición baratos, han despertado interés en los últimos años como un establo, catalizador de bajo costo que podría superar este desafío, pero el diseño de óxidos de espinela de alto rendimiento se ha visto obstaculizado por la falta de comprensión de cómo funcionan.

Ahora, El profesor asociado de NTU Singapur Jason Xu Zhichuan y su equipo han logrado dos avances importantes. Se han deshecho a escala atómica, cómo funcionan los óxidos de espinela para acelerar la electrólisis del agua. Preparado con ese nuevo entendimiento, Luego, el equipo utilizó el aprendizaje automático para seleccionar nuevos óxidos de espinela con mayor actividad catalítica. haciendo que la electrólisis del agua sea más eficiente.

Estos hallazgos acercan al equipo a hacer de la división del agua un enfoque adecuado para la fabricación a gran escala de gas hidrógeno. que ha sido destacada por la Autoridad del Mercado de Energía como una posible alternativa baja en carbono para reducir la huella de carbono de Singapur, ya que su objetivo es reducir a la mitad sus emisiones máximas de gases de efecto invernadero para 2050. Esto está en línea con las tendencias mundiales:la Unión Europea, por ejemplo, ha presentado recientemente su estrategia de hidrógeno como una parte importante de la solución para cumplir el objetivo de neutralidad climática para 2050 del Acuerdo Verde Europeo.

El profesor asociado Xu de la Escuela de Ciencias e Ingeniería de Materiales de la NTU dijo:"Para mejorar el rendimiento de los óxidos de espinela, necesitamos una comprensión más profunda de cómo funcionan como catalizadores para hacer que la electrólisis del agua sea más eficiente. Ahora, mediante la identificación de los parámetros que hacen que los óxidos de espinela sean buenos catalizadores para este proceso, podemos crear nuevos, mejores óxidos de espinela basados ​​en estos parámetros, acercándonos un paso más a una economía impulsada por el hidrógeno ".

Los hallazgos fueron publicados en una revista científica. Catálisis de la naturaleza en julio.

Un paso más hacia una economía impulsada por el hidrógeno

Extraer hidrógeno de la electrólisis del agua, cuando se alimenta con fuentes de energía renovables como la energía eólica o solar, es un enfoque atractivo para producir combustible de hidrógeno, que tiene el potencial de reemplazar los combustibles fósiles utilizados en las centrales eléctricas, transporte, y el proceso de abastecimiento de combustible.

El hidrógeno también es atractivo como alternativa viable a las opciones tradicionales de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, que pierden gradualmente su carga con el tiempo.

El proceso de electrólisis del agua tiene lugar en un electrolizador, donde tienen lugar dos reacciones químicas principales cuando se divide el agua:una da como resultado la producción de hidrógeno, mientras que el otro conduce a la producción de oxígeno, y los dos gases se mantienen separados por una membrana.

Profesor asociado Xu, quien también es parte del Instituto de Investigación Energética de NTU, dijo que el principal cuello de botella radica en la reacción química que conduce a la generación de oxígeno desde el otro lado conocida como la reacción de revolución de oxígeno.

Dijo:"La reacción de evolución del oxígeno es fundamental para la eficiencia de los dispositivos que dividen el agua para producir combustible de hidrógeno, pero también es una reacción química lenta que reduce la eficiencia general de conversión de energía. Es por eso que necesitamos catalizadores como los óxidos metálicos para acelerar las cosas ".

Si bien los óxidos de metales preciosos han demostrado ser catalizadores de última generación que reducen el consumo de energía y mejoran la eficiencia de conversión de energía, su escasez, El alto costo y la escasa durabilidad han limitado su aplicación a gran escala.

Óxidos de espinela, con su bajo costo y disponibilidad en abundancia, podrían convertirse en una alternativa viable si se diseñan con los parámetros adecuados, como el tipo de metal de transición en el óxido de espinela, para aumentar la actividad catalítica, dijo el profesor asociado Xu.

Según los parámetros clave que el equipo había identificado, el equipo entrenó un modelo de aprendizaje automático con un conjunto de datos de más de 300 óxidos de espinela para cribar y predecir la eficiencia de cualquier catalizador de óxido de espinela en cuestión de segundos.

Usando este método, el equipo descubrió que se predijo que un nuevo óxido que comprendía manganeso y aluminio mostraría una actividad catalítica superior. Esto fue validado experimentalmente.

Assoc Prof Xu dijo:"Si bien la capacidad de diseñar catalizadores altamente eficientes impulsa en gran medida la técnica de la electrólisis del agua en la producción de hidrógeno, Hay otros dos cuellos de botella importantes que debemos tener en cuenta antes de que sea posible la adopción generalizada de esta técnica. Primeramente, tenemos que mejorar la membrana en estos electrolizadores alcalinos para apoyar la producción de hidrógeno a largo plazo. Cuando termine, luego podremos trabajar con nuestros colegas de ingeniería para ver cómo podemos poner todas estas actualizaciones en un electrolizador que pueda funcionar a nivel industrial ".