Receta de hidrógeno: espolvorear óxido de manganeso con átomos de iridio, agregar agua

Con el 70% de la Tierra cubierta de agua, el hidrógeno es verdaderamente una fuente de energía renovable. Sin embargo, todavía no es posible extraer hidrógeno del agua a una escala que pueda rivalizar con la producción de energía basada en combustibles fósiles. La producción energética mundial actual es de casi 18 teravatios, lo que significa que en un momento dado se producen de media unos 18 billones de vatios de energía en todo el mundo. Para que los métodos verdes alternativos de producción de energía reemplacen a los combustibles fósiles, deben poder alcanzar las mismas tasas de producción de energía.

La forma verde de extraer hidrógeno del agua es una reacción electroquímica que requiere un catalizador. Los mejores catalizadores para esta reacción (aquellos que dan la velocidad más alta y la producción de hidrógeno más estable) son metales raros, siendo el iridio el mejor de los mejores. Pero la escasez de iridio es un gran problema. «El iridio es tan raro que se estima que aumentar la producción mundial de hidrógeno a la escala de teravatios requerirá 40 años de iridio», dice el coautor principal Shuang Kong.

El equipo de investigación de catalizadores biofuncionales de RIKEN CSRS está tratando de evitar el cuello de botella del iridio y encontrar otras formas de producir hidrógeno a altas tasas durante largos períodos de tiempo. A largo plazo, esperan desarrollar nuevos catalizadores basados ​​en metales terrestres comunes, que serán altamente sostenibles. De hecho, el equipo recientemente logró estabilizar la producción de hidrógeno verde a un nivel relativamente alto utilizando una forma de óxido de manganeso como catalizador. Sin embargo, como se describe en ese artículo, aún faltan años para lograr una producción a escala industrial de esta manera.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de óxido de iridio sintetizado (D) e imagen de microscopio electrónico de transmisión de barrido de iridio (puntos brillantes) disperso sobre óxido de manganeso electrodepositado sobre una malla de titanio recubierto de platino resistente a la corrosión (E, F, G).

«Necesitamos una manera de cerrar la brecha entre los electrolizadores basados ​​en metales raros y metales comunes, de modo que podamos hacer una transición gradual durante muchos años hacia el hidrógeno verde totalmente sostenible», dice Nakamura. El estudio actual lo hace combinando manganeso con iridio. Los investigadores descubrieron que cuando extendieron átomos individuales de iridio en un trozo de óxido de manganeso para que no se tocaran ni se unieran entre sí, la producción de hidrógeno en un electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM) se mantuvo al mismo ritmo que cuando se usaba solo iridio. , pero con un 95% menos de iridio.

Con el nuevo catalizador, fue posible la producción continua de hidrógeno durante más de 3000 horas (aproximadamente 4 meses) con una eficiencia del 82% sin degradación. «La interacción inesperada entre el óxido de manganeso y el iridio fue clave para nuestro éxito», dice el coautor Ailong Li. «Esto se debe a que el iridio resultante de esta interacción se encontraba en el raro y muy activo estado de oxidación +6».

Nakamura cree que el nivel de producción de hidrógeno logrado con el nuevo catalizador tiene un alto potencial de utilidad inmediata. «Esperamos que nuestro catalizador se transfiera fácilmente a aplicaciones del mundo real», afirma, «lo que aumentaría inmediatamente la capacidad de los electrolizadores PEM actuales».

El equipo comenzó a colaborar con socios de la industria, que ya pudieron mejorar el catalizador inicial de iridio-manganeso. En el futuro, los investigadores de RIKEN CSRS planean investigar más a fondo la interacción química específica entre el iridio y el óxido de manganeso, con la esperanza de reducir aún más la cantidad de iridio necesaria. Al mismo tiempo, seguirán colaborando con socios industriales y planean utilizar y probar el nuevo catalizador a escala industrial en un futuro próximo.