Investigadores surcoreanos combinan níquel y cobalto para superar el rendimiento de catalizadores convencionales y avanzar hacia electrolizadores más eficientes y económicos.
- 🔬 Materiales utilizados: óxido de níquel y una aleación de níquel-cobalto.
- 💰 Coste de los materiales: el KIER estima una reducción de aproximadamente el 99 % frente a electrodos basados en metales nobles.
- ⚡ Sobrepotencial: 22,7 mV a 10 mA/cm², frente a los 56,5 mV del electrodo comercial de platino empleado como referencia.
- 📉 Celda experimental: consigue una tensión de celda un 11 % inferior a la obtenida con un electrodo convencional de níquel.
- 🔄 Durabilidad: mantiene un funcionamiento estable después de 600 ciclos de arranque y parada.
- 🏭 Escalabilidad: los investigadores ya han fabricado electrodos de 40 cm de diámetro y trabajan para alcanzar superficies de 5.000 cm² destinadas a electrolizadores de escala megavatio.
Un equipo de investigadores surcoreanos ha desarrollado un nuevo electrodo para producir hidrógeno mediante electrólisis alcalina que prescinde de metales nobles como el platino y el rutenio. La solución combina óxido de níquel y una aleación de níquel-cobalto y, además de reducir drásticamente el coste de los materiales, ha conseguido superar al platino en uno de los parámetros clave de la reacción.
La tecnología ha sido desarrollada por investigadores de la División de Investigación de Energía del Hidrógeno del Korea Institute of Energy Research (KIER), dirigidos por Kyung-Soo Kang y Hyun-Jun Lee. El trabajo científico se ha publicado en la revista Advanced Science.
El coste de los metales nobles sigue siendo un obstáculo
El hidrógeno verde puede producirse utilizando electricidad renovable para separar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Entre las tecnologías disponibles, la electrólisis alcalina resulta especialmente interesante para instalaciones de gran tamaño debido a unos costes de equipos e instalación relativamente contenidos.
Su inconveniente está en la propia química del proceso. En un medio alcalino, las reacciones implicadas en la separación del agua son considerablemente más lentas que en condiciones ácidas. Según el KIER, la cinética puede ser más de 100 veces más lenta, lo que dificulta alcanzar altas velocidades de producción de hidrógeno.
Los catalizadores de platino y rutenio permiten acelerar estas reacciones, pero introducen otro problema: son materiales escasos y caros. Los datos facilitados por los investigadores sitúan el precio de referencia del platino alrededor de 58 dólares por gramo y el del rutenio en unos 54 dólares por gramo.
El níquel y el cobalto empleados en el nuevo electrodo presentan costes de referencia mucho menores: aproximadamente 0,02 dólares por gramo para el níquel y 0,05 dólares por gramo para el cobalto. A partir de estos valores, el instituto calcula que el coste de los materiales del electrodo puede reducirse alrededor de un 99 %.
Conviene matizar este dato: una reducción del 99 % en el coste de los materiales del electrodo no significa que el coste final del hidrógeno producido disminuya un 99 %. En el precio del hidrógeno intervienen también la electricidad, el electrolizador, su vida útil, el mantenimiento, la compresión y otros componentes de la instalación.
Dos materiales que realizan tareas diferentes
La clave del desarrollo está en una heteroestructura NiO-NiCo, diseñada para que dos materiales trabajen de forma complementaria sobre el mismo electrodo.
El óxido de níquel (NiO) favorece la disociación del agua, considerada una de las etapas limitantes de la reacción de evolución de hidrógeno en un electrolizador alcalino. La aleación de níquel y cobalto (Ni-Co), por su parte, facilita la formación del hidrógeno.
En lugar de exigir a un único material que realice eficazmente todo el proceso catalítico, la superficie distribuye las diferentes etapas entre regiones especializadas. La interacción entre ambas permite acelerar la reacción global sin recurrir a metales nobles.
Necesita alrededor del 40 % del sobrepotencial del platino
Uno de los resultados más interesantes aparece al comparar el nuevo electrodo con uno comercial de platino.
A una densidad de corriente de 10 mA/cm², el electrodo de platino necesita un sobrepotencial de 56,5 mV, mientras que la heteroestructura desarrollada por el KIER funciona con 22,7 mV.
Es decir, necesita aproximadamente el 40 % del sobrepotencial utilizado por el electrodo comercial de platino para alcanzar la misma densidad de corriente. El KIER sitúa este rendimiento entre los mejores obtenidos en los últimos tres años por electrodos alcalinos fabricados sin metales nobles.
El sobrepotencial representa, de forma simplificada, la tensión adicional que debe aplicarse sobre el valor termodinámico ideal para conseguir que una reacción electroquímica avance a una determinada velocidad. Reducirlo ayuda a disminuir las pérdidas energéticas asociadas al proceso.
La prueba no se ha limitado a un pequeño electrodo de laboratorio
Uno de los problemas recurrentes de los nuevos catalizadores es que un resultado excelente obtenido sobre superficies diminutas no garantiza que pueda trasladarse a un electrolizador real.
Los investigadores han intentado abordar precisamente esta cuestión.
Construyeron una celda unitaria de 8,7 cm de diámetro equipada con el nuevo electrodo. Durante las pruebas, la tensión de funcionamiento de la celda fue un 11 % inferior a la registrada utilizando un electrodo convencional basado en níquel.
Una menor tensión de celda para unas condiciones equivalentes puede traducirse en un menor consumo eléctrico del electrolizador, un aspecto especialmente relevante porque la electricidad representa una parte fundamental del coste de producción del hidrógeno renovable.
Supera 600 ciclos de arranque y parada
La durabilidad constituye otro aspecto importante cuando un electrolizador se alimenta directamente con fuentes renovables.
Una instalación vinculada a parques solares o eólicos no necesariamente trabaja de forma continua. La disponibilidad de electricidad puede variar y obligar al electrolizador a arrancar, detenerse o modificar repetidamente su potencia.
El equipo sometió el electrodo a 600 ciclos sucesivos de arranque y parada sin observar una pérdida significativa de rendimiento, según los resultados comunicados por el KIER.
Esta característica resulta relevante para una futura integración con instalaciones fotovoltaicas y eólicas, aunque serán necesarias pruebas considerablemente más prolongadas para determinar su vida útil en condiciones industriales reales.
Ya han fabricado un electrodo de 40 centímetros
El desarrollo tampoco se encuentra restringido a muestras de unos pocos centímetros cuadrados. El equipo asegura haber demostrado la posibilidad de fabricar electrodos de 40 cm de diámetro utilizando esta tecnología.
El siguiente objetivo será aumentar el área hasta los 5.000 cm², además de optimizar el proceso de fabricación para una eventual producción en serie. Esa superficie permitiría estudiar su integración en sistemas de electrólisis alcalina de escala megavatio.
El salto será decisivo. Un catalizador puede ofrecer excelentes resultados electroquímicos y, sin embargo, encontrar dificultades al aumentar su superficie debido a problemas de uniformidad, fabricación, degradación, transferencia de masa o costes del conjunto completo.
Por tanto, los resultados actuales no significan que el nuevo electrodo esté preparado para sustituir inmediatamente al platino en instalaciones comerciales. Sí muestran una vía técnicamente prometedora para reducir simultáneamente la dependencia de metales nobles y las pérdidas energéticas de la electrólisis alcalina.
Si la durabilidad y el rendimiento se mantienen al escalar la tecnología, electrodos basados en materiales mucho más económicos podrían contribuir a uno de los grandes objetivos de la industria: producir hidrógeno renovable con electrolizadores más baratos, eficientes y capaces de trabajar directamente con una generación solar y eólica variable.
Vía www.newswise.com
Más información: Synergistic NiO‐NiCo Heterostructure Electrode for Highly Active and Durable Hydrogen Evolution in Industrial Alkaline Water Electrolysis
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