Los investigadores han desarrollado dos sistemas únicos, rentables y energéticamente eficientes, que utilizan la urea presente en la orina y las aguas residuales para generar hidrógeno. Estos sistemas únicos revelan vías para generar económicamente hidrógeno “verde”, una fuente de energía sostenible y renovable, y el potencial para remediar los desechos nitrogenados en ambientes acuáticos.
Normalmente, generamos hidrógeno mediante la electrólisis del agua, donde esta se divide en oxígeno e hidrógeno. Es una tecnología prometedora para ayudar a resolver la crisis energética mundial, pero el proceso consume mucha energía, lo que lo hace prohibitivo en comparación con la extracción de hidrógeno de combustibles fósiles (hidrógeno gris), un proceso en sí mismo indeseable debido a las emisiones de carbono que genera.
A diferencia del agua, un sistema de electrólisis que genera hidrógeno a partir de urea utiliza significativamente menos energía. A pesar de esta ventaja, los sistemas existentes basados en urea enfrentan varias limitaciones, como la baja eficiencia de conversión de urea en hidrógeno y la generación de subproductos nitrogenados indeseables (nitratos y nitritos) que son tóxicos y compiten con la producción de hidrógeno, lo que reduce aún más la eficiencia general del sistema. Investigadores del Centro de Excelencia para la Ciencia y la Innovación del Carbono (COE-CSI) del Consejo Australiano de Investigación y la Universidad de Adelaida desarrollaron dos sistemas de electrólisis basados en urea que superan estos problemas y pueden generar hidrógeno verde a un costo que, según calcularon, es comparable o más barato que el costo de producir hidrógeno gris.
“Si bien no hemos resuelto todos los problemas, si se amplía la escala de estos sistemas, los nuestros producen nitrógeno gaseoso inocuo en lugar de nitratos y nitritos tóxicos, y ambos sistemas consumirán entre un 20% y un 27% menos de electricidad que los sistemas de separación de agua”, afirma el profesor Yao Zheng, investigador jefe del COE-CSI.
La investigación de cada sistema se publicó en artículos separados, uno en Angewandte Chemie International y el otro en Nature Communications.
“Necesitamos reducir el coste de la producción de hidrógeno, pero de forma neutra en carbono. El sistema de nuestro primer artículo, si bien utiliza un sistema único sin membrana y un novedoso catalizador a base de cobre, utiliza urea pura, que se produce mediante el proceso de síntesis de amoníaco de Haber-Bosch, que consume mucha energía y libera grandes cantidades de CO₂“ , afirma el profesor Zheng.
“Resolvimos esto utilizando una fuente verde de urea —la orina humana— , que es la base del sistema examinado en nuestro segundo artículo”, afirma.
Y sí, los investigadores se unieron a la causa científica y donaron su orina, junto con orina simulada de laboratorio. La orina o la urea también pueden provenir de aguas residuales con alto contenido de nitrógeno.
Sin embargo, la orina en un sistema electrocatalítico presenta otro problema. Los iones de cloruro en la orina desencadenan una reacción que genera cloro y causa corrosión irreversible del ánodo del sistema, donde se produce oxidación y pérdida de electrones. De esta forma se encontró un nuevo mecanismo de reacción que podría suprimir la corrosión del cloro.
En el primer sistema, desarrollamos un sistema innovador y altamente eficiente de electrólisis de urea sin membrana para la producción de hidrógeno a bajo costo. En este segundo sistema, desarrollamos un novedoso mecanismo de oxidación mediado por cloro que utiliza catalizadores a base de platino sobre soportes de carbono para generar hidrógeno a partir de la orina, afirma el profesor Shizhang Qiao, subdirector e investigador principal del COE-CSI.
Alternativas a los catalizadores de metales preciosos y finitos
El platino es un metal caro, precioso y finito, y su creciente demanda como material catalítico es insostenible. Una misión fundamental del COE-CSI es impulsar tecnologías transformadoras de catalizadores de carbono para las industrias energética y química tradicionales. El equipo de la Universidad de Adelaida planea realizar más experimentos para desarrollar catalizadores de metales no preciosos soportados en carbono para construir sistemas de tratamiento de aguas residuales y orina sin membranas, logrando una recuperación de hidrógeno verde a menor costo y al mismo tiempo remediando el entorno de las aguas residuales.
Fuente: Tech Xplore.
