Científicos han desarrollado una nueva técnica que duplica la cantidad de hidrógeno producido al dividir las moléculas de agua con electricidad. El método funciona añadiendo una molécula orgánica simple y un catalizador modificado al reactor.
El método adaptado reduce los costos de energía hasta en un 40% y puede ofrecer una “vía prometedora para la producción de hidrógeno eficiente y escalable”, dijeron los investigadores en un nuevo estudio publicado el 1 de diciembre en el Chemical Engineering Journal.
“El hidrógeno es una de las sustancias químicas más demandadas”, declaró a Live Science Hamed Heidarpour, coautor del estudio y estudiante de doctorado de la Universidad McGill en Montreal, Canadá. El hidrógeno se utiliza en la producción de amoníaco para producir fertilizantes, en pilas de combustible para generar energía eléctrica o se quema para producir energía directamente, explicó Heidarpour.
La principal forma de producir hidrógeno es mediante el reformado con vapor, que consiste en hacer reaccionar agua con gas natural a altas temperaturas y presiones para separar los átomos de oxígeno e hidrógeno del agua. Sin embargo, estas condiciones implican que el proceso consume mucha energía y requiere la quema de grandes cantidades de combustibles fósiles. El uso de electricidad para dividir el agua en moléculas de hidrógeno y oxígeno (un método conocido como electrólisis) podría ofrecer potencialmente una manera de crear hidrógeno sin emisiones directas de dióxido de carbono.
Esto funciona conectando dos placas metálicas, conocidas como electrodos, a una fuente de corriente continua y sumergiendo sus extremos en agua. Al aplicar electricidad al circuito, se genera hidrógeno en el electrodo negativo (ánodo) y oxígeno en el positivo (cátodo).
Sin embargo, la electrólisis del agua es actualmente ineficiente, costosa y consume mucha electricidad, que a menudo proviene de fuentes no renovables. La principal ineficiencia radica en la producción de oxígeno en el ánodo, explicó Heidarpour.
Para superar este problema, el equipo detrás del nuevo estudio adaptó la configuración de electrólisis estándar para reemplazar la reacción de formación de oxígeno por una que produce hidrógeno al oxidar una molécula orgánica. Primero, los investigadores instalaron dos cámaras con soluciones de hidróxido de potasio (KOH), separadas por una fina membrana, y luego conectaron un electrodo a cada una de ellas para formar un circuito. El equipo añadió una sustancia química llamada hidroximetilfurfural (HMF) a la cámara del ánodo, así como un catalizador de cobre modificado. Heidarpour explicó que los átomos de cromo, dentro de la superficie de su catalizador específicamente diseñado, favorecen la producción de hidrógeno al estabilizar los átomos de cobre en su estado reactivo.
Cuando el equipo aplicó electricidad, los electrones del ánodo oxidaron los grupos aldehído de las moléculas de HMF. Esto generó hidrógeno y un subproducto llamado HMFCA, que podría utilizarse como materia prima química para la fabricación de bioplásticos, según Heidarpour. Los aldehídos tienen un átomo de carbono con un doble enlace a un átomo de oxígeno y un enlace simple a un átomo de hidrógeno. Este método adaptado duplica efectivamente la cantidad de hidrógeno producido de una sola vez, cuando también se tiene en cuenta el hidrógeno creado al dividir las moléculas de agua en el cátodo como de costumbre.
Las reacciones también se produjeron a aproximadamente 0,4 voltios, aproximadamente 1 voltio menos que en la electrólisis de agua convencional. Los investigadores afirmaron que esto ayuda a reducir el consumo total de energía hasta en un 40%.
Heidarpour dijo que el equipo no es el primero en informar este tipo de estrategia, pero explicó que aumentaron la tasa general de producción de hidrógeno utilizando un catalizador más eficiente. El HMF suele obtenerse mediante la descomposición de materiales vegetales no comestibles, como residuos de papel, lo que lo convierte en un reactivo atractivo para estos sistemas. Sin embargo, actualmente es un material caro.
Se podrían utilizar otras moléculas que contengan aldehído, como el formaldehído. “Donde hay un excedente de sustratos orgánicos de bajo valor, oxidarlos para obtener sustancias químicas más valiosas con generación simultánea de hidrógeno podría ser una forma atractiva y ecológica de producir dos materias primas a la vez”, declaró a Live Science Mark Symes, profesor de electroquímica y tecnología electroquímica de la Universidad de Glasgow, quien no participó en el estudio. Los investigadores señalaron que todavía hay formas de mejorar el proceso para hacerlo más eficiente.
Por ejemplo, es necesario seguir trabajando para mejorar la estabilidad del catalizador para que “pueda funcionar durante miles de horas en un entorno industrial”, afirmó Heidarpour.
Fuente: Live Science.
