Dividir el agua de mar podría proporcionar una fuente inagotable de hidrógeno verde

Pocas soluciones climáticas vienen sin inconvenientes. El hidrógeno "verde", fabricado mediante el uso de energía renovable para dividir las moléculas de agua, podría impulsar vehículos pesados ​​y descarbonizar industrias como la siderúrgica sin arrojar una bocanada de dióxido de carbono. Pero debido a que las máquinas de división de agua, o electrolizadores, están diseñadas para funcionar con agua pura, aumentar la escala del hidrógeno verde podría exacerbar la escasez mundial de agua dulce. Ahora, varios equipos de investigación informan sobre avances en la producción de hidrógeno directamente a partir de agua de mar, que podría convertirse en una fuente inagotable de hidrógeno verde.

"Esta es la dirección para el futuro", dice Zhifeng Ren, físico de la Universidad de Houston (UH). Sin embargo, Md Kibria, químico de materiales de la Universidad de Calgary, dice que por ahora hay una solución más barata: alimentar agua de mar a las instalaciones de desalinización que pueden eliminar la sal antes de que el agua fluya a los electrolizadores convencionales.

Hoy en día, casi todo el hidrógeno se produce descomponiendo el metano, quemando combustibles fósiles para generar el calor y la presión necesarios. Ambos pasos liberan dióxido de carbono. El hidrógeno verde podría reemplazar este hidrógeno sucio, pero en este momento cuesta más del doble, aproximadamente $ 5 por kilogramo. Eso se debe en parte al alto costo de los electrolizadores, que dependen de catalizadores hechos de metales preciosos. El Departamento de Energía de EE. UU. lanzó recientemente un esfuerzo de una década para mejorar los electrolizadores y reducir el costo del hidrógeno verde a $ 1 por kilogramo.

Si tienen éxito y la producción de hidrógeno verde se dispara, la presión podría aumentar sobre los suministros de agua dulce del mundo. Generar 1 kilogramo de hidrógeno mediante electrólisis requiere unos 10 kilogramos de agua. Hacer funcionar camiones e industrias clave con hidrógeno verde podría requerir aproximadamente 25 mil millones de metros cúbicos de agua dulce al año, equivalente al consumo de agua de un país con 62 millones de habitantes, según la Agencia Internacional de Energía Renovable.

El agua de mar es casi ilimitada, pero dividirla conlleva sus propios problemas. Los electrolizadores se construyen de manera muy similar a las baterías, con un par de electrodos rodeados por un electrolito acuoso. En un diseño, los catalizadores en el cátodo dividen las moléculas de agua en iones de hidrógeno (H+) e hidroxilo (OH-). El exceso de electrones en los pares de unión del cátodo de iones de hidrógeno en gas hidrógeno (H2), que burbujea fuera del agua. Mientras tanto, los iones OH- viajan a través de una membrana entre los electrodos para llegar al ánodo, donde los catalizadores convierten el oxígeno en oxígeno gaseoso (O2) que se libera.

Sin embargo, cuando se usa agua de mar, la misma sacudida eléctrica que genera O2 en el ánodo también convierte los iones de cloruro en el agua salada en gas de cloro altamente corrosivo, que destruye los electrodos y los catalizadores. Esto generalmente hace que los electrolizadores fallen en solo unas horas cuando normalmente pueden funcionar durante años.

Ahora, tres grupos informan esfuerzos para detener esta corrosión. Investigadores dirigidos por Nasir Mahmood, científico de materiales de la Universidad RMIT de Melbourne, informaron en la edición del 8 de febrero de Small que al recubrir sus electrodos con compuestos con carga negativa, como sulfatos y fosfatos, podrían repeler los iones de cloruro con carga negativa y evitar la formación de gas de cloro. El equipo de RMIT no informó prácticamente ninguna degradación en sus electrodos durante un máximo de 2 meses, aunque solo generó un hilo de hidrógeno. Desde entonces, en un trabajo no publicado, los investigadores han reforzado su configuración para producir hidrógeno tan rápido como los electrolizadores comerciales de agua dulce, dice Mahmood.

Shizhang Qiao, nanotecnólogo de la Universidad de Adelaida, y sus colegas realizaron cambios en un segundo tipo de electrolizador que usa una membrana permeable solo a los iones H+. Esta configuración dividió las moléculas de agua en el ánodo en lugar del cátodo, arrebatando electrones para liberar iones H+. Los iones migran a través de la membrana hacia el cátodo donde se combinan con electrones para formar H2. Qiao y sus colegas recubrieron sus electrodos con óxido de cromo, que atrajo una burbuja de iones OH- que repelieron los iones de cloruro. El dispositivo dividió el agua de mar durante 100 horas a altas corrientes sin degradación, informan en la edición del 30 de enero de Nature Energy. "Estoy muy feliz de ver un diseño tan inteligente", dice el físico de materiales de UH Shou Chen.

Zongping Shao, ingeniero químico de la Universidad Tecnológica de Nanjing, y sus colegas tomaron un tercer rumbo para defenderse del cloruro. Rodearon los electrodos con membranas que solo permiten el paso del vapor de agua dulce del baño circundante de agua de mar. A medida que el electrolizador convierte el agua dulce en hidrógeno y oxígeno, crea una presión que atrae más moléculas de agua a través de la membrana, reponiendo el suministro de agua dulce. En la edición de Nature del 30 de noviembre de 2022, Shao y sus colegas informaron que su configuración funcionó durante 3200 horas sin signos de degradación. "Es como un proceso de destilación interna", dice Haotian Wang, físico aplicado de la Universidad de Rice.

Las membranas que filtran la sal se asemejan a las de las plantas de desalinización comerciales, que ya son lo suficientemente eficientes para producir agua dulce y agregan solo alrededor de $ 0.01 por kilogramo al costo del hidrógeno verde. Es por eso que Kibria dice que jugar con los electrolizadores no tiene tanto sentido como simplemente adjuntar proyectos de hidrógeno verde a las plantas de desalinización. "No necesitamos reinventar la rueda", dice. "Este es un problema resuelto".

Mahmood no está de acuerdo. Para empezar, dice, la desalinización no es una opción adecuada para los países que no pueden permitirse proyectos de capital a gran escala. Además, dice, los electrodos resistentes a la corrosión también pueden ser útiles para aprovechar otras fuentes de agua impura, como las aguas residuales y el agua salobre. "Tenemos que seguir trabajando en tecnologías alternativas", dice.