A medida que avanza la carrera por obtener amplias fuentes de energía limpia para mitigar el cambio climático, el hidrógeno se considera una fuente prometedora de energía renovable. El hidrógeno verde no emite carbono, pero tiene un inconveniente: su producción sigue siendo compleja y costosa.

Los científicos de todo el mundo están trabajando en formas más eficientes y asequibles de producir hidrógeno sin carbono, como a través del proceso electroquímico de división del agua, que implica pasar electricidad a través del agua en presencia de catalizadores para dividir el líquido en sus componentes químicos: hidrógeno y oxígeno.

Como parte de tales esfuerzos, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y el Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia han desarrollado conjuntamente un nuevo proceso y materiales mediante los cuales se puede producir hidrógeno verde de manera mucho más asequible como fuente de energía renovable.

Actualmente, los catalizadores para producir hidrógeno están hechos de metales nobles como el platino y el iridio, que son costosos y escasos. Los investigadores en Georgia, sin embargo, idearon materiales híbridos para el electrocatalizador, lo que hace que el proceso sea mucho más barato cuando se realiza a escala, dicen.

“Nuestro trabajo disminuirá el uso de esos metales nobles, aumentando su actividad y las opciones de utilización”, dice Seung Woo Lee, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y experto en sistemas de almacenamiento y conversión de energía electroquímica.

“Hemos diseñado una nueva clase de catalizador donde encontramos un mejor sustrato de óxido que utiliza menos elementos nobles. Estos catalizadores híbridos mostraron un rendimiento superior tanto para el oxígeno como para el hidrógeno (división)”, explica Lee.

En colaboración con científicos del Instituto de Investigación Energética de Corea, la Universidad Nacional de Kyungpook y la Universidad Estatal de Oregón, el equipo utilizó una poderosa radiografía con la que “podemos monitorear los cambios estructurales en el catalizador durante el proceso de división del agua, a escala nanométrica”, según Lee. “Podemos investigar su estado de oxidación o configuraciones atómicas en condiciones operativas”.

Catalizadores de hidrógeno híbridos y más durables

Además de desarrollar catalizadores híbridos a través de su investigación, los científicos también han perfeccionado la forma de los catalizadores y la interacción de los metales empleados en el proceso para reducir el uso del catalizador en el sistema y aumentar su durabilidad. Ambas características pueden reducir los costos.

“Queremos utilizar este catalizador durante mucho tiempo sin degradar su rendimiento”, explica Jinho Park, un científico investigador que fue un miembro clave del equipo.

“Nuestra investigación no solo se centra en fabricar el nuevo catalizador, sino también en comprender la mecánica de reacción que hay detrás”, añade el científico. “Creemos que nuestros esfuerzos ayudarán a respaldar la comprensión fundamental de la reacción de división del agua en los catalizadores y proporcionarán información importante a otros investigadores en este campo”.

Es importante, dice Park, que la estructura de la superficie del catalizador es clave cuando se trata de determinar si está optimizado para la producción de hidrógeno. “Es por eso que tratamos de controlar la forma del catalizador así como la interacción entre los metales y el material del sustrato”, dice.

Los resultados de la investigación podrían beneficiar a las estaciones de hidrógeno para vehículos eléctricos de celdas de combustible y microrredes comunitarias diseñadas para alimentar redes eléctricas que dependen de energía de respaldo impulsada por energías renovables.

Hoy en día, el hidrógeno verde representa solo alrededor del 1% de la producción anual de hidrógeno, en gran parte debido a los altos costos de producción involucrados. Sin embargo, los expertos en energía dicen que el uso a gran escala del hidrógeno será fundamental para permitir que los sectores industriales alcancen sus objetivos de emisiones netas cero en las próximas décadas.

Con ese fin, se están realizando investigaciones con el objetivo de reducir el costo del hidrógeno limpio en un 80 % a $1 por kilogramo para 2030, de modo que el hidrógeno pueda reemplazar al gas natural y al carbón en el almacenamiento de energía eléctrica adicional en las redes.