Empresas Premium
.jpg){kind=logo}
Un equipo de investigadores del Korea Institute of Energy Research (KIER) ha desarrollado un nuevo electrodo para la producción de hidrógeno mediante electrólisis alcalina que combina óxido de níquel y una aleación de níquel-cobalto, sin recurrir a metales nobles como el platino o el rutenio.
Según los resultados comunicados por el instituto, el desarrollo permite reducir aproximadamente un 99 % el coste de los materiales del electrodo frente a los basados en metales nobles, al tiempo que mejora varios parámetros de funcionamiento.
La investigación, dirigida por Kyung-Soo Kang y Hyun-Jun Lee, de la División de Investigación de Energía del Hidrógeno del KIER, aborda uno de los desafíos para extender la producción de hidrógeno renovable: reducir el coste de los materiales empleados en los electrolizadores sin comprometer la actividad catalítica ni la durabilidad.
El trabajo se ha publicado en la revista científica Advanced Science con el título Synergistic NiO–NiCo Heterostructure Electrode for Highly Active and Durable Hydrogen Evolution in Industrial Alkaline Water Electrolysis.
La innovación se basa en una heteroestructura que integra óxido de níquel (NiO) y una aleación de níquel-cobalto (Ni-Co) sobre una misma superficie. Ambos materiales desempeñan funciones complementarias durante la reacción electroquímica.
El óxido de níquel favorece la disociación del agua, una de las etapas que limita la velocidad de la electrólisis alcalina. La aleación de níquel-cobalto, por su parte, facilita la reacción de evolución del hidrógeno. La combinación permite acelerar el proceso mediante una distribución de funciones entre los materiales, sin depender de catalizadores basados en metales nobles.
La electrólisis alcalina presenta ventajas para la producción de hidrógeno a gran escala, entre ellas unos costes de instalación y equipamiento relativamente contenidos. Sin embargo, la cinética de las reacciones en medio alcalino es más lenta que en medio ácido, lo que plantea dificultades para conseguir una elevada actividad de producción. Los catalizadores de platino y rutenio pueden mejorar la velocidad de reacción, pero su precio y disponibilidad constituyen obstáculos para reducir costes y ampliar la fabricación de electrolizadores.
En el desarrollo del KIER, los precios de referencia utilizados por los investigadores se sitúan en torno a 58 dólares por gramo para el platino y 54 dólares para el rutenio, frente a aproximadamente 0,02 dólares por gramo para el níquel y 0,05 dólares para el cobalto. A partir de estos valores, el equipo estima una reducción cercana al 99 % en el coste de los materiales del electrodo.
Este porcentaje se refiere al coste de los materiales comparados, no a una reducción del 99 % en el coste total de producción del hidrógeno, que también depende del consumo eléctrico, los equipos, el mantenimiento y la vida útil de la instalación, entre otros factores.
Las pruebas de rendimiento muestran resultados relevantes en la reacción de evolución del hidrógeno. A una densidad de corriente de 10 mA/cm², el nuevo electrodo presenta un sobrepotencial de 22,7 mV, frente a los 56,5 mV del electrodo comercial de platino utilizado como referencia.
En estas condiciones, la heteroestructura necesita aproximadamente el 40 % del sobrepotencial requerido por el electrodo de platino para alcanzar la misma densidad de corriente. El KIER sitúa este resultado entre los rendimientos más destacados comunicados durante los últimos tres años para electrodos de electrólisis alcalina que no emplean metales nobles.
El sobrepotencial es la tensión adicional necesaria para que una reacción electroquímica avance a una determinada velocidad por encima de su valor termodinámico ideal. Reducirlo puede contribuir a disminuir las pérdidas energéticas asociadas a la reacción, aunque el efecto sobre el consumo global debe evaluarse en las condiciones de funcionamiento del electrolizador completo.
Los investigadores también fabricaron una celda unitaria de 8,7 cm de diámetro equipada con el nuevo electrodo. En las pruebas, la tensión de funcionamiento de la celda fue un 11 % inferior a la obtenida con un electrodo convencional de níquel. Este resultado aporta una primera referencia sobre el comportamiento de la tecnología más allá de las pruebas realizadas sobre superficies de menor tamaño.
La durabilidad constituye otro de los aspectos destacados del desarrollo. Los investigadores sometieron el electrodo a 600 ciclos sucesivos de arranque y parada sin observar una pérdida significativa de rendimiento, según los resultados comunicados por el instituto.
Esta característica puede resultar relevante para los electrolizadores conectados a fuentes renovables, cuya producción eléctrica varía en función de las condiciones meteorológicas. La disponibilidad intermitente de electricidad solar o eólica puede obligar a los equipos a detenerse, arrancar de nuevo o modificar repetidamente su potencia de funcionamiento.
La estabilidad del electrodo durante estos ciclos supone un resultado prometedor para su futura integración en sistemas de producción de hidrógeno asociados a energías renovables. No obstante, será necesario realizar ensayos más prolongados para determinar su vida útil y comportamiento en condiciones industriales reales.
El equipo ha avanzado también en la fabricación de electrodos de mayor tamaño. Según el KIER, los investigadores han conseguido producir electrodos de 40 centímetros de diámetro y trabajan en la optimización del proceso para facilitar una posible fabricación en serie.
El siguiente objetivo consiste en ampliar la superficie del electrodo hasta los 5.000 cm², con vistas a estudiar su incorporación a sistemas de electrólisis alcalina de escala megavatio.
El escalado industrial deberá demostrar que la actividad catalítica, la uniformidad de los materiales y la estabilidad observadas en las pruebas se mantienen cuando aumenta la superficie de los electrodos. También será necesario evaluar los costes de fabricación y el comportamiento de los componentes durante periodos prolongados de operación.
Por el momento, los resultados no implican que el electrodo esté preparado para sustituir de forma inmediata a los materiales convencionales en instalaciones comerciales. Sí identifican una vía de desarrollo para reducir la dependencia de metales nobles y mejorar el rendimiento de la electrólisis alcalina.
La investigación del KIER se suma a los esfuerzos por desarrollar electrodos basados en materiales más económicos, eficientes y duraderos, con el objetivo de facilitar la implantación de electrolizadores capaces de producir hidrógeno renovable con menores costes.
|
