El estudiante graduado de Stanford McKenzie Hubert observa cómo un catalizador produce burbujas de hidrógeno en un electrolizador a escala de laboratorio. El catalizador, fosfuro de cobalto, es mucho más barato que el catalizador de platino que se usa en la actualidad y podría reducir el costo de un proceso para producir hidrógeno, un combustible importante y un químico industrial, a gran escala con productos limpios, energía renovable. Crédito:Jacqueline Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory
Investigadores del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford han demostrado por primera vez que un catalizador barato puede dividir el agua y generar gas hidrógeno durante horas y horas en el entorno hostil de un dispositivo comercial.
La tecnología de electrolizadores, que se basa en una membrana de polímero electrolítico (PEM), tiene potencial para la producción de hidrógeno a gran escala impulsada por energía renovable, pero se ha visto frenado en parte por el alto costo de los catalizadores de metales preciosos, como platino e iridio, necesario para aumentar la eficiencia de las reacciones químicas.
Este estudio señala el camino hacia una solución más económica, los investigadores informaron hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
"El gas hidrógeno es una sustancia química industrial enormemente importante para la fabricación de combustible y fertilizantes, entre otras cosas, "dijo Thomas Jaramillo, director del Centro SUNCAT de Ciencia y Catálisis de Interfaces, quien dirigió el equipo de investigación. "También es una limpieza, Molécula de alto contenido energético que se puede utilizar en pilas de combustible o para almacenar energía generada por fuentes de energía variables como la solar y la eólica. Pero la mayor parte del hidrógeno que se produce hoy en día se fabrica con combustibles fósiles, aumentando el nivel de CO2 en la atmósfera. Necesitamos una forma rentable de producirlo con energía limpia ".
De metal caro a barato, abundantes materiales
Se ha trabajado mucho a lo largo de los años para desarrollar alternativas a los catalizadores de metales preciosos para sistemas PEM. Se ha demostrado que muchos funcionan en un entorno de laboratorio, pero Jaramillo dijo que, según su conocimiento, este es el primero en demostrar un alto rendimiento en un electrolizador comercial. El dispositivo fue fabricado por un centro de investigación de electrólisis PEM y una fábrica en Connecticut para Nel Hydrogen, el fabricante más antiguo y más grande del mundo de equipos electrolizadores.
En lugar de generar electricidad, un electrolizador utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Crédito:Greg Stewart, Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
La electrólisis funciona de manera muy similar a una batería a la inversa:en lugar de generar electricidad, utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Las reacciones que generan hidrógeno y oxígeno gaseoso tienen lugar en diferentes electrodos utilizando diferentes catalizadores de metales preciosos. En este caso, el equipo de Nel Hydrogen reemplazó el catalizador de platino en el lado generador de hidrógeno con un catalizador que consiste en nanopartículas de fosfuro de cobalto depositadas sobre carbón para formar un polvo negro fino, que fue producido por los investigadores de SLAC y Stanford. Como otros catalizadores, reúne a otras sustancias químicas y las anima a reaccionar.
El catalizador de fosfuro de cobalto funcionó muy bien durante toda la prueba, más de 1, 700 horas:una indicación de que puede ser lo suficientemente resistente para el uso diario en reacciones que pueden tener lugar a temperaturas elevadas. presiones y densidades de corriente y en condiciones extremadamente ácidas durante largos períodos de tiempo, dijo McKenzie Hubert, un estudiante de posgrado en el grupo de Jaramillo que dirigió los experimentos con Laurie King, un ingeniero de investigación de SUNCAT que desde entonces se ha unido a la facultad de la Universidad Metropolitana de Manchester.
"Nuestro grupo ha estado estudiando este catalizador y materiales relacionados durante un tiempo, "Hubert dijo, "y lo tomamos de una escala de laboratorio fundamental, etapa experimental a través de la prueba en condiciones de funcionamiento industrial, donde necesita cubrir un área de superficie mucho mayor con el catalizador y tiene que funcionar en condiciones mucho más desafiantes ".
Uno de los elementos más importantes del estudio fue aumentar la producción del catalizador de fosfuro de cobalto mientras se mantenía muy uniforme, un proceso que implicaba sintetizar el material de partida en la mesa de laboratorio. moliendo con mortero y majadero, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.
Hydrogen gas is a massively important industrial chemical for making fuel and fertilizer, and a clean, high-energy-content molecule that can be used in fuel cells or to store energy generated by variable power sources like solar and wind. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Producing hydrogen gas at scale
While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, transporte, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.
Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, dijo, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.
"The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."
While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.
