La crisis climática requiere aumentar el uso de fuentes de energía renovables como la solar y la eólica, pero con una disponibilidad intermitente, el almacenamiento de energía escalable es un desafío.
El hidrógeno, especialmente el hidrógeno verde libre de carbono, se ha convertido en un prometedor portador de energía limpia y una opción de almacenamiento para energías renovables como la solar y la eólica. No agrega emisiones de carbono a la atmósfera, pero actualmente es costoso y complejo de crear.
Una forma de producir hidrógeno verde es la división electroquímica del agua. Este proceso implica hacer pasar electricidad a través del agua en presencia de catalizadores (sustancias que mejoran la reacción) para producir hidrógeno y oxígeno.
Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y el Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia (GTRI) han desarrollado un nuevo proceso y material de división del agua que maximiza la eficiencia de la producción de hidrógeno verde, lo que lo convierte en una opción asequible y accesible para los socios industriales que desean convertirse al hidrógeno verde. para el almacenamiento de energía renovable en lugar de la producción convencional de hidrógeno que emite carbono a partir del gas natural.
Los hallazgos de Georgia Tech se producen cuando los expertos en clima están de acuerdo en que el hidrógeno será fundamental para que los principales sectores industriales del mundo alcancen sus objetivos de emisiones netas cero. El verano pasado, la Administración Biden se fijó el objetivo de reducir el costo del hidrógeno limpio en un 80 % en una década. Apodada Hydrogen Shot, la iniciativa dirigida por el Departamento de Energía busca reducir el costo del hidrógeno «limpio» o verde a $ 1 por kilogramo para 2030.
Los científicos esperan reemplazar el gas natural y el carbón, que actualmente se utilizan para almacenar energía eléctrica adicional a nivel de la red, con hidrógeno verde porque no contribuye a las emisiones de carbono, lo que lo convierte en un medio más ecológico para almacenar electricidad renovable. El enfoque de su investigación es la electrólisis, o el proceso de usar electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.
Materiales menos costosos y más duraderos
El equipo de investigación de Georgia Tech espera hacer que el hidrógeno verde sea menos costoso y más duradero utilizando materiales híbridos para el electrocatalizador. Hoy en día, el proceso se basa en costosos componentes de metales nobles como el platino y el iridio, los catalizadores preferidos para producir hidrógeno a través de la electrólisis a gran escala. Estos elementos son caros y raros, lo que ha estancado el movimiento para reemplazar el gas por energía basada en hidrógeno. De hecho, el hidrógeno verde representó menos del 1% de la producción anual de hidrógeno en 2020, en gran parte debido a este gasto, según la firma de investigación de mercado Wood Mackenzie.
«Nuestro trabajo disminuirá el uso de esos metales nobles, aumentando su actividad y las opciones de utilización», dijo el investigador principal del estudio, Seung Woo Lee, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y experto en almacenamiento de energía electroquímica. y sistemas de conversión.
En investigaciones publicadas en revistas Catálisis Aplicada B: Ambiental y Energía y Ciencias AmbientalesLee y su equipo destacaron las interacciones entre las nanopartículas metálicas y el óxido metálico para respaldar el diseño de catalizadores híbridos de alto rendimiento.
«Diseñamos una nueva clase de catalizador en el que encontramos un mejor sustrato de óxido que usa menos elementos nobles», dijo Lee. «Estos catalizadores híbridos mostraron un rendimiento superior tanto para el oxígeno como para el hidrógeno (división)».
Análisis a escala nanométrica
Su trabajo se basó en la computación y el modelado del socio de investigación, el Instituto de Investigación de Energía de Corea, y la medición de rayos X de la Universidad Nacional de Kyungpook y la Universidad Estatal de Oregón, que aprovecharon el sincrotrón del país, una súper radiografía del tamaño de un campo de fútbol.
«Usando rayos X, podemos monitorear los cambios estructurales en el catalizador durante el proceso de división del agua, a escala nanométrica», explicó Lee. «Podemos investigar su estado de oxidación o configuraciones atómicas en condiciones operativas».
Jinho Park, científico investigador de GTRI e investigador principal de la investigación, dijo que esta investigación podría ayudar a reducir la barrera del costo del equipo utilizado en la producción de hidrógeno verde. Además de desarrollar catalizadores híbridos, los investigadores han perfeccionado la capacidad de controlar la forma de los catalizadores, así como la interacción de los metales. Las prioridades clave fueron reducir el uso del catalizador en el sistema y, al mismo tiempo, aumentar su durabilidad, ya que el catalizador representa una parte importante del costo del equipo.
«Queremos utilizar este catalizador durante mucho tiempo sin degradar su rendimiento», dijo. «Nuestra investigación no solo se enfoca en hacer el nuevo catalizador, sino también en comprender la mecánica de reacción detrás de él. Creemos que nuestros esfuerzos ayudarán a respaldar la comprensión fundamental de la reacción de división del agua en los catalizadores y brindarán información importante a otros investigadores en este campo», dijo Park.
La forma del catalizador importa
Un hallazgo clave, según Park, fue el papel de la forma del catalizador en la producción de hidrógeno. «La estructura de la superficie del catalizador es muy importante para determinar si está optimizado para la producción de hidrógeno. Por eso tratamos de controlar la forma del catalizador, así como la interacción entre los metales y el material del sustrato», dijo.
Park dijo que algunas de las aplicaciones clave posicionadas para beneficiarse primero incluyen estaciones de hidrógeno para vehículos eléctricos de celdas de combustible, que hoy en día solo operan en el estado de California, y microrredes, un nuevo enfoque comunitario para diseñar y operar redes eléctricas que dependen del respaldo impulsado por energías renovables. energía.
Si bien la investigación de XYZ está muy avanzada, el equipo está trabajando actualmente con socios para explorar nuevos materiales para la producción eficiente de hidrógeno utilizando inteligencia artificial (IA).
