La contaminación ambiental y la energía limpia asequible son los dos grandes objetivos de desarrollo sostenible marcados por la Asamblea General de las Naciones Unidas en 2015. Todos los países fijan sus objetivos de descarbonización para el año 2050 y aumentar el uso de hidrógeno verde para reducir la carga de consumo eléctrico al año. .
Industrias y grupos de investigación colaboraron conjuntamente para aumentar la producción de hidrógeno verde y reducir el coste de producción. En 2023, nos dimos cuenta de las crisis energéticas globales en grandes partes de Europa durante la guerra, lo que provocó altos precios y escasez de gas natural licuado y el empeoramiento del cambio climático.
Normalmente, el hidrógeno verde se genera mediante electrolizadores y división fotocatalítica del agua. Existen algunas barreras para la producción comercializada de hidrógeno verde, como los altos costos de producción, la estabilidad del fotocatalizador, el rendimiento del catalizador y el uso de agua de mar.
La división solar fotocatalítica del agua ha abierto una nueva ventana de oportunidades para la producción de hidrógeno verde de bajo coste de acuerdo con la protección del medio ambiente. La luz solar abunda en el medio ambiente y elegir el fotocatalizador correcto, estable a largo plazo y de alto rendimiento puede mejorar la producción y reducir el precio del hidrógeno verde.
Cabe destacar que todos los fotocatalizadores disponibles para la producción de hidrógeno mediante división de agua se encuentran en forma de nanopartículas en polvo, lo que provoca pérdida y agresión del metal, lo que resulta en una menor actividad fotocatalítica y un impacto en el costo operativo. Además, los sistemas de fotocatalizadores de nanopartículas en polvo solo funcionan en modo por lotes y no pueden controlar la tasa de producción de hidrógeno.
El fotocatalizador de nanopartículas en polvo contiene semiconductores que pueden filtrarse a los cuerpos de agua y dañar la pirámide ecológica. Se han propuesto estructuras organometálicas para soportar las nanopartículas de la aleación con el fin de evitar la agregación de metales durante la reacción y aumentar la actividad catalítica.
El equipo dirigido por el profesor Kajari Kargupta del laboratorio de nanoingeniería y energía sostenible del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Jadavpur (India) ha desarrollado ahora un hidrogel de alginato orgánico 3D reciclable y respetuoso con el medio ambiente encapsulado en un fotocatalizador de tipo perla. El estudio se publica en la Revista Internacional de Energía de Hidrógeno .
Estos tipos de fotocatalizadores de hidrogel basados en estructuras organometálicas 3D pueden proporcionar una tasa constante de hidrógeno continuo. El efecto tóxico del semiconductor se minimiza mediante la encapsulación con alginato de sodio, un material apto para uso alimentario.
El alginato de sodio es el biopolímero preferido para las miliesferas encapsuladas en fotocatalizador. Se fabrica comercialmente a partir de extracto de algas pardas. Con el tiempo, varios grupos de investigación han formado diversos compuestos de metal-polímero debido a la inmovilización de los iones metálicos durante el proceso de gelificación.
Se investigó un sistema de flujo impulsado por presión que funciona tanto en modo discontinuo como continuo bajo irradiación solar de banda completa para mejorar la producción de hidrógeno solar a partir de agua utilizando una novedosa milisfera 3D de fotocatalizador encapsulado en hidrogel de alginatos orgánicos con alta capacidad de retención de agua. La atención se centró principalmente en el papel que desempeña la mejora de la adsorción de la molécula de agua en los sitios activos del fotocatalizador en el rendimiento de la producción de hidrógeno solar.
Desde una perspectiva funcional, la adición de alginato de sodio aumenta la actividad del fotocatalizador y la capacidad de retención de agua, permitiendo el proceso de generación continua de hidrógeno. Desde una perspectiva operativa, la presencia de alginato aumenta la actividad del fotocatalizador y la capacidad de retención de agua, permitiendo el proceso de generación constante de hidrógeno.
Cada fotocatalizador esférico encapsulado en alginato en forma de cuentas funciona como un productor de hidrógeno en miniatura o un reactor fotocatalítico. Los hidrogeles de alginato también mostraron una excelente reciclabilidad y reutilización. Su repetibilidad sintética y escalabilidad lineal se confirman por el hecho de que la cantidad total de hidrógeno generado aumenta linealmente con el número de perlas encapsuladas en fotocatalizador, mientras que la tasa normalizada de volumen permanece constante.
El grado de hidratación (tanto la adsorción de agua previa como la dinámica) influye fuertemente en la velocidad a la que se produce el hidrógeno. Se utiliza un reactor de flujo para producir hidrógeno a velocidad constante; cuando el caudal entrante cae por debajo de un valor crítico, la tasa de producción permanece constante, lo que indica que cada catalizador esférico funciona como un pequeño generador de hidrógeno.
El profesor Kargupta tiene experiencia en la transformación de prototipos a escala de laboratorio en aplicaciones comerciales prácticas, y nuestro equipo multidisciplinario tiene experiencia en generación de hidrógeno solar, fabricación de membranas/electrodos de electrolitos de pilas de combustible y secuestro de carbono. El equipo está intentando aumentar la capacidad del hidrógeno generado para alimentar las pilas de combustible portátiles en zonas remotas.
La principal sustancia química utilizada para la encapsulación del fotocatalizador es el alginato de sodio, que la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. y la Comisión Europea consideran un material de calidad alimentaria (emulsionante, estabilizador, espesante y agente gelificante). El fotocatalizador a base de hidrogel de alginato con un fotorreactor adecuado se ensamblará con pilas de combustible y de alto almacenamiento en los próximos dos años. Planeamos colaborar con socios de la industria para ampliar este fotocatalizador de alto rendimiento a escala industrial.
Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.
Más información: Sayantanu Mandal et al, Miliesferas de rGO-CdS encapsuladas con alginato orgánico para una notable producción fotocatalítica de hidrógeno solar, Revista Internacional de Energía de Hidrógeno (2023). DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.137
La Prof. Kajari Kargupta, Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Jadavpur, recibió su doctorado. sobre "Inestabilidad y formación de patrones en películas delgadas:papel de la heterogeneidad, la evaporación y el deslizamiento" en 1998 de I.I.T. Kanpur. Tiene experiencia en sistemas de películas delgadas, generación de patrones, formación de nanoestructuras de diferentes morfologías y su aplicación. Ha completado con éxito varios proyectos patrocinados por SERB DST, UGC, DBT y DRDO y tiene más de 100 publicaciones en revistas revisadas por pares en su haber. Tiene experiencia en formulación de materiales nanohíbridos bimetálicos a base de grafeno de diferentes morfologías y su aplicación como catalizadores, electrocatalizadores para la generación de hidrógeno. Como parte de un proyecto anterior patrocinado por DST, exploró la síntesis y caracterización de catalizadores nanohíbridos bimetálicos a base de grafeno para la generación de hidrógeno a partir de borohidruro de sodio y electrooxidación de borohidruro; Basado en el mapeo de composición, morfología y rendimiento, se ha explorado para la generación de hidrógeno un novedoso catalizador nanohíbrido de G-Co-Pt de núcleo conectado y basado en rGO que exhibe una excelente propiedad de transporte de electrones, así como un catalizador ORR para reducir la carga de Pt. El Dr. Kargupta tiene experiencia en síntesis y caracterización de electrocatalizadores para electrooxidación, reacción de reducción de oxígeno y aplicación de pilas de combustible. Ha explorado la generación de hidrógeno solar fotocatalítico y fotoelectrocatalítico mediante la división del agua; cuyo objetivo es abordar los principales cuellos de botella del proceso y mejorar la eficiencia de la energía solar al hidrógeno. Basado en simulación experimental y cuántica, se analiza y explora el papel de los catalizadores/fotocatalizadores nanohíbridos y fotoelectrocatalizadores. Anteriormente, como parte del importante proyecto de la UGC, el profesor Kargupta exploró diferentes electrolitos de membrana de nanocompuestos orgánicos e inorgánicos, así como electrolitos de tipo gel, portátiles, duraderos y conductores de protones, especialmente para la aplicación portátil de pilas de combustible. El Prof. Kargupta tiene experiencia en el manejo de 10 proyectos patrocinados como PI y Co-PI. También trabajó con NMRL y DRDO en un proyecto de misión relacionado con la aplicación de pilas de combustible como proveedor de servicios de investigación.
El Sr. Sayantanu Mandal actualmente está completando su doctorado. en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Jadavpur, bajo la supervisión del Prof. Kajari Kargupta. Durante los últimos tres años se ha dedicado a trabajar en la generación de hidrógeno y en la fabricación de una membrana electrolítica de pila de combustible de alta temperatura. Actualmente, también es investigador principal de un proyecto en el mapa de instalaciones de ingeniería científica y tecnológica de la India bajo el gobierno de la India (I-STEM) con su guía, el profesor Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). También es miembro permanente de algunas de las prestigiosas organizaciones científicas mundiales, como la Asociación Internacional de Ingenieros (IAENG) y la Academia Internacional de Ciencias e Ingeniería para el Desarrollo (IASED), Hong Kong. También está en el comité técnico del Comité Técnico de MEAMT 2023, NanoMT 2023 e ICFMCE 2023 como revisor por pares.
Información de la revista: Revista Internacional de la Energía del Hidrógeno
