Argonne y los científicos de UChicago crean una baja

13 de junio de 2023

Un abundante suministro de energía limpia acecha a plena vista. El hidrógeno puede impulsar vehículos sin emitir nada más que agua; También es una sustancia química importante para muchos procesos industriales, sobre todo en la fabricación de acero y la producción de amoníaco.

Como parte de la búsqueda para combatir el cambio climático, los científicos están buscando métodos de bajo costo para producir hidrógeno a partir del agua para reemplazar los combustibles fósiles. Para ser verdaderamente limpio, este proceso debe realizarse utilizando energía renovable.

Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne, un laboratorio del Departamento de Energía de EE. UU. afiliado a la Universidad de Chicago, ha desarrollado un catalizador de bajo costo para un proceso que produce hidrógeno limpio a partir del agua.

"Nuestros resultados establecen un camino prometedor para reemplazar los catalizadores hechos de metales preciosos caros con elementos que son mucho menos costosos y más abundantes", dijo el autor del estudio Di-Jia Liu, químico senior de Argonne que ocupa un cargo conjunto en la Escuela Pritzker. de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.

El proceso para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno se llama electrólisis y existe desde hace más de un siglo.

Antiguamente, la técnica para este proceso consumía mucha energía. Pero una nueva generación de tecnología para este proceso, conocida como electrolizadores de membrana de intercambio de protones, puede funcionar con mayor eficiencia casi a temperatura ambiente. La reducida demanda de energía los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio mediante el uso de fuentes renovables pero intermitentes, como la solar y la eólica.

Sin embargo, el costo siguió siendo un problema. Uno de los catalizadores de ese proceso utiliza iridio, que tiene un precio de mercado actual de alrededor de 5.000 dólares la onza. La falta de suministro y el alto costo del iridio plantean una barrera importante para la adopción generalizada de electrolizadores PEM.

El equipo pudo desarrollar un nuevo catalizador cuyo ingrediente principal es el cobalto, que es sustancialmente más barato que el iridio.

"Al utilizar el catalizador a base de cobalto preparado con nuestro método, se podría eliminar el principal cuello de botella del costo de producir hidrógeno limpio en un electrolizador", dijo Liu.

Giner Inc., una empresa líder en investigación y desarrollo que trabaja en la comercialización de electrolizadores y pilas de combustible, evaluó el nuevo catalizador utilizando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de funcionamiento industrial. El rendimiento y la durabilidad superaron con creces los de los catalizadores de la competencia.

El logro del equipo es un paso adelante en la iniciativa Hydrogen Energy Earthshot del Departamento de Energía, que imita el “Moon Shot” del programa espacial estadounidense de la década de 1960. Su ambicioso objetivo es reducir el coste de la producción de hidrógeno verde a un dólar por kilogramo en una década. La producción de hidrógeno verde a ese costo podría remodelar la economía del país.

Las aplicaciones incluyen la red eléctrica, la fabricación, el transporte y la calefacción residencial y comercial.

Al comprender el mecanismo de reacción a escala atómica en condiciones operativas, los científicos pueden perfeccionar su rendimiento.

"Obtuvimos imágenes de la estructura atómica en la superficie del nuevo catalizador en varias etapas de preparación", dijo Jianguo Wen, científico de materiales de Argonne.

El equipo descifró los cambios estructurales críticos que ocurren en el catalizador en condiciones de funcionamiento mediante análisis de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones en Argonne. También identificaron características clave del catalizador mediante microscopía electrónica en Sandia Labs y en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne.

La Fuente Avanzada de Fotones y el Centro de Materiales a Nanoescala son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Además, el modelado computacional en el Laboratorio de Berkeley reveló importantes conocimientos sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.

Cita: "Catalizador de evolución de oxígeno de espinela de cobalto dopado con La y Mn para electrólisis de membrana de intercambio de protones". Chong et al, Science, 12 de mayo de 2023. Financiamiento: Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU., Investigación y desarrollo dirigidos por el Laboratorio Argonne.

—Adaptado de un artículo de Joseph Harmon publicado por primera vez por el Laboratorio Nacional Argonne.

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