Es fácil ser optimista acerca del hidrógeno como combustible ideal. Es mucho más difícil encontrar una solución a un problema absolutamente fundamental:¿cómo almacenar eficientemente este combustible? Un equipo suizo-polaco de físicos experimentales y teóricos ha encontrado la respuesta a la pregunta de por qué los intentos anteriores de utilizar el prometedor hidruro de magnesio para este fin han resultado insatisfactorios y por qué pueden tener éxito en el futuro.

Desde hace mucho tiempo se considera que el hidrógeno es el portador de energía del futuro. Sin embargo, antes de que se convierta en una realidad en el sector energético, es necesario desarrollar métodos eficientes para almacenarlo. Los materiales, seleccionados de tal manera que, con un bajo coste energético, primero se les pueda inyectar hidrógeno y luego recuperarlo según sea necesario, preferiblemente en condiciones similares a las típicas de nuestro entorno cotidiano, parecen ser la solución óptima.

Un candidato prometedor para el almacenamiento de hidrógeno parece ser el magnesio. Sin embargo, para convertirlo en hidruro de magnesio se necesita un catalizador suficientemente eficaz, algo que aún no se ha encontrado.

El trabajo de un equipo de científicos de Empa, los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales en Dübendorf, y el Departamento de Química de la Universidad de Zurich, así como el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia, ha demostrado que los muchos años de fracaso hasta ahora se deben a una comprensión incompleta de los fenómenos que se producen en el magnesio durante la inyección de hidrógeno.

El principal obstáculo para la adopción del hidrógeno como fuente de energía es la dificultad de almacenarlo. En los todavía escasos automóviles propulsados ​​por hidrógeno, este se almacena comprimido a una presión de unas 700 atmósferas. Este no es el método más barato ni el más seguro y tiene poco que ver con la eficiencia:sólo hay 45 kg de hidrógeno en un metro cúbico. El mismo volumen puede contener 70 kg de hidrógeno, si se condensa previamente.

Desafortunadamente, el proceso de licuefacción requiere grandes cantidades de energía y la temperatura extremadamente baja, alrededor de 20 Kelvin, debe mantenerse durante todo el almacenamiento. Una alternativa podrían ser materiales adecuados; por ejemplo, el hidruro de magnesio, que puede contener hasta 106 kg de hidrógeno en un metro cúbico.

El hidruro de magnesio se encuentra entre los materiales más simples probados en cuanto a su capacidad de almacenamiento de hidrógeno. Su contenido puede alcanzar el 7,6% (en peso). Por lo tanto, los dispositivos de hidruro de magnesio son bastante pesados ​​y, por lo tanto, adecuados principalmente para aplicaciones estacionarias. Sin embargo, es importante señalar que el hidruro de magnesio es una sustancia muy segura y puede almacenarse sin riesgo; por ejemplo, en un sótano, y el magnesio en sí es un metal barato y fácilmente disponible.

"La investigación sobre la incorporación de hidrógeno al magnesio se ha llevado a cabo durante décadas, pero no ha dado como resultado soluciones que puedan contar con un uso más amplio", dice el profesor Zbigniew Lodziana (FIP PAN), físico teórico y coautor de un estudio. artículo en Ciencia avanzada donde se presenta el último descubrimiento.

"Una fuente de problemas es el propio hidrógeno. Este elemento puede penetrar eficazmente la estructura cristalina del magnesio, pero sólo cuando está presente en forma de átomos individuales. Para obtenerlo a partir del hidrógeno molecular típico, se necesita un catalizador lo suficientemente eficiente como para facilitar el proceso de Se requiere una migración del hidrógeno en el material rápida y energéticamente viable. Por eso, todo el mundo ha estado buscando un catalizador que cumpla las condiciones mencionadas, lamentablemente sin mucho éxito. Hoy finalmente sabemos por qué estos intentos estaban condenados al fracaso."

El profesor Lodziana ha desarrollado un nuevo modelo de los procesos termodinámicos y electrónicos que ocurren en el magnesio en contacto con átomos de hidrógeno. El modelo predice que durante la migración de átomos de hidrógeno, se forman en el material agrupaciones locales de hidruro de magnesio termodinámicamente estables. En los límites entre el magnesio metálico y su hidruro se producen cambios en la estructura electrónica del material, que desempeñan un papel importante en la reducción de la movilidad de los iones de hidrógeno.

En otras palabras, la cinética de formación del hidruro de magnesio está determinada principalmente por fenómenos en su interfaz con el magnesio. Este efecto hasta ahora no se había tenido en cuenta en la búsqueda de catalizadores eficientes.

El trabajo teórico del Prof. Lodziana complementa los experimentos realizados en el laboratorio suizo de Dübendorf. Aquí se estudió la migración de hidrógeno atómico en una capa de magnesio puro pulverizado sobre paladio en una cámara de ultra alto vacío. El aparato de medición pudo registrar cambios en el estado de varias capas atómicas externas de la muestra en estudio, causados ​​por la formación de un nuevo compuesto químico y las transformaciones asociadas de la estructura electrónica del material. El modelo propuesto por los investigadores de la FIP PAN nos permite comprender completamente los resultados experimentales.

Los logros del grupo de físicos suizo-polaco no sólo allanan el camino para una nueva búsqueda de un catalizador óptimo para el hidruro de magnesio, sino que también explican por qué algunos de los catalizadores encontrados anteriormente mostraron una eficiencia mayor de lo esperado.

"Hay muchos indicios de que la falta de avances significativos en el almacenamiento de hidrógeno en magnesio y sus compuestos se debió simplemente a nuestra comprensión incompleta de los procesos involucrados en el transporte de hidrógeno en estos materiales. Durante décadas, todos hemos estado buscando mejores catalizadores, Pero no hacia donde deberíamos mirar. Ahora, nuevos resultados teóricos y experimentales permiten pensar con optimismo en nuevas mejoras en los métodos de introducción de hidrógeno en magnesio", concluye el profesor Lodziana.

Más información: Selim Kazaz et al, Por qué los catalizadores de disociación de hidrógeno no funcionan para la hidrogenación de magnesio, Ciencia avanzada (2023). DOI:10.1002/advs.202304603

Información de la revista: Ciencia avanzada

Proporcionado por la Academia Polaca de Ciencias