- El nuevo catalizador puede reducir el uso de metales preciosos en la producción de hidrógeno verde.
- Este catalizador ha superado las 300 horas de funcionamiento estable, con un rendimiento superior al estándar comercial.
- El contenido de metales preciosos en el catalizador de aleación es solo la mitad del contenido de platino del estándar comercial.
- La investigación muestra que las aleaciones de entropía media pueden superar la compensación entre actividad y estabilidad.
Investigadores en Braga, Portugal, han desarrollado un nuevo catalizador que podría reducir la cantidad de metales preciosos necesarios para la producción de hidrógeno verde. El rendimiento del material supera el estándar comercial, a pesar de que su contenido de metales preciosos es solo la mitad del estándar. El equipo del Laboratorio Internacional Ibérico de Nanotecnología (INL) sintetizó platino, níquel y rutenio en una aleación, diseñada específicamente para la electrólisis de agua con membrana de intercambio protónico (PEMWE). El informe de investigación señala que a 60 °C (140°F), el tiempo de funcionamiento estable de la unidad supera las 300 horas. Este hallazgo aborda un desafío de los electrolizadores, que es reducir la dependencia de materiales costosos mientras se mantiene el rendimiento.
Rendimiento del catalizador supera el estándar
PEMWE utiliza electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Impulsado por energía renovable, esto proporciona una vía para la producción de hidrógeno verde. Sin embargo, la reacción de generación de hidrógeno en el cátodo depende en gran medida de los metales preciosos escasos. El grupo de investigación de Kolen’ko en INL utilizó un reactor de flujo continuo para producir nanopartículas de aleación de entropía media de platino-níquel-rutenio. Estas partículas tienen un diámetro de solo 1.5 nanómetros y están uniformemente fijadas en grafeno rico en defectos. El contenido de metales preciosos del catalizador es del 20.5%, en comparación con el 40% de contenido de platino del estándar comercial, mostrando una ventaja significativa.
A pesar de su menor contenido de metales preciosos, su rendimiento aún supera el estándar en múltiples mediciones.
En un dispositivo PEMWE de celda única, el catalizador logró una densidad de corriente de 1.0 amperios por centímetro cuadrado a 1.6 voltios. El comportamiento operativo del catalizador es crucial para su rendimiento. Inicialmente, especies de óxido de níquel cubren la superficie de las partículas. Después de la polarización del cátodo, estos óxidos se reducen, exponiendo la superficie de la aleación metálica. El autor de correspondencia del estudio, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, comentó: "El catalizador no se degrada, sino que se activa, lo cual es contrario a la intuición y es precisamente la característica necesaria para un funcionamiento prolongado." La espectroscopía de absorción de rayos X de radiación sincrotrón confirmó que la reestructuración de la superficie es impulsada electroquímicamente.
A 60 °C (140°F), esta unidad mantuvo un voltaje estable durante más de 300 horas. En comparación, el estándar comercial mostró un deterioro del rendimiento durante el proceso de prueba.
Potencial del proceso de producción de aleaciones
Estos resultados sugieren que los cambios en la superficie de la aleación pueden respaldar una actividad continua, abordando la dificultad de mejorar el rendimiento catalítico sin comprometer la estabilidad. Los investigadores también destacaron el potencial del proceso de producción. Combinar metales con potenciales de reducción significativamente diferentes es un desafío, ya que su formación debe coordinarse para generar la aleación deseada. El coautor de correspondencia, Srinivas Katam, afirmó: "La síntesis de flujo continuo es un cambio de juego aquí." El equipo señaló que el reactor permite la nucleación sincronizada de los metales, proporcionando una vía para la producción a gran escala.
El líder del grupo de investigación Kolen’ko en INL, Dr. Yury V. Kolen’ko, afirmó: "Este trabajo demuestra que las aleaciones de entropía media pueden superar la compensación tradicional entre actividad y estabilidad al ser producidas mediante síntesis de flujo continuo." Los investigadores también vieron aplicaciones potenciales de esta tecnología más allá de la producción de hidrógeno, incluyendo otras tecnologías de conversión de energía electroquímica. Este estudio recibió financiamiento del Programa de Recuperación y Resiliencia de Portugal (PRR) bajo el marco de la próxima generación de la Unión Europea, a través del acuerdo de innovación Moving2Neutrality.
Los resultados de la celda única establecen las bases para el desarrollo adicional de sistemas de electrolizadores a gran escala, donde reducir la demanda de metales preciosos y mantener la durabilidad siguen siendo objetivos clave. Este estudio ha sido publicado en el Journal of Chemical Engineering.
Impacto del nuevo catalizador en la producción de hidrógeno verde
A medida que aumenta la demanda de energía renovable, la producción de hidrógeno verde se ha convertido en un área de investigación importante. El desarrollo de este nuevo catalizador no solo reduce la dependencia de metales preciosos escasos, sino que también ha alcanzado nuevas alturas en estabilidad y rendimiento. Esto tiene importantes implicaciones para la producción a gran escala de hidrógeno verde en el futuro, ya que puede reducir los costos de producción y aumentar la eficiencia. Además, las aplicaciones potenciales de esta tecnología también podrían extenderse a otras tecnologías de conversión de energía electroquímica, impulsando aún más el desarrollo de energía sostenible.