Una nueva forma de generar combustible de hidrógeno a partir de agua de mar

Dividir el agua en hidrógeno y oxígeno presenta una alternativa a los combustibles fósiles, pero el agua purificada es un recurso precioso. Un equipo dirigido por Stanford ha desarrollado una forma de aprovechar el agua de mar (la fuente más abundante de la Tierra) para obtener energía química.

Los investigadores de Stanford han ideado una forma de generar combustible de hidrógeno utilizando energía solar, electrodos y agua salada de la Bahía de San Francisco.

Hongjie Dai y su laboratorio de investigación de la Universidad de Stanford han desarrollado un prototipo que puede generar combustible de hidrógeno a partir de agua de mar. (Crédito de la imagen: cortesía de H. Dai, Yun Kuang, Michael Kenney)

Los hallazgos, publicados el 18 de marzo en Proceedings of the National Academy of Sciences, demuestran una nueva forma de separar el hidrógeno y el oxígeno del agua de mar mediante electricidad. Los métodos existentes de división del agua se basan en agua altamente purificada, que es un recurso valioso y costoso de producir.

En teoría, para alimentar ciudades y automóviles, "se necesita tanto hidrógeno que no es concebible usar agua purificada", dijo Hongjie Dai, profesor de química de JG Jackson y CJ Wood en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford y coautor principal del artículo. papel. "Apenas tenemos suficiente agua para nuestras necesidades actuales en California".

El hidrógeno es una opción atractiva como combustible porque no emite dióxido de carbono, dijo Dai. La quema de hidrógeno sólo produce agua y debería aliviar el empeoramiento de los problemas del cambio climático.

Dai dijo que su laboratorio mostró una prueba de concepto con una demostración, pero que los investigadores dejarán en manos de los fabricantes la escala y la producción en masa del diseño.

Como concepto, dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con electricidad (llamado electrólisis) es una idea simple y antigua: una fuente de energía se conecta a dos electrodos colocados en el agua. Cuando se enciende la energía, el gas hidrógeno burbujea por el extremo negativo, llamado cátodo, y el oxígeno respirable emerge por el extremo positivo, el ánodo.

Pero el cloruro cargado negativamente en la sal del agua de mar puede corroer el extremo positivo, limitando la vida útil del sistema. Dai y su equipo querían encontrar una manera de evitar que esos componentes del agua de mar descompusieran los ánodos sumergidos.

Los investigadores descubrieron que si recubrían el ánodo con capas ricas en cargas negativas, las capas repelían el cloruro y ralentizaban la descomposición del metal subyacente.

Colocaron capas de hidróxido de níquel-hierro sobre sulfuro de níquel, que cubre un núcleo de espuma de níquel. La espuma de níquel actúa como conductor (transporta electricidad desde la fuente de energía) y el hidróxido de níquel-hierro provoca la electrólisis, separando el agua en oxígeno e hidrógeno. Durante la electrólisis, el sulfuro de níquel evoluciona hacia una capa cargada negativamente que protege el ánodo. Así como los extremos negativos de dos imanes se empujan entre sí, la capa cargada negativamente repele el cloruro y evita que llegue al núcleo metálico.

Sin el recubrimiento cargado negativamente, el ánodo sólo funciona durante unas 12 horas en agua de mar, según Michael Kenney, estudiante graduado en el laboratorio Dai y coautor principal del artículo. "Todo el electrodo se desmorona", dijo Kenney. "Pero con esta capa, es capaz de durar más de mil horas".

Estudios anteriores que intentaban dividir el agua de mar para obtener combustible de hidrógeno habían utilizado cantidades bajas de corriente eléctrica, porque la corrosión ocurre con corrientes más altas. Pero Dai, Kenney y sus colegas pudieron conducir hasta 10 veces más electricidad a través de su dispositivo multicapa, lo que le ayuda a generar hidrógeno a partir del agua de mar a un ritmo más rápido.

"Creo que establecimos un récord en la corriente para dividir el agua de mar", dijo Dai.

Los miembros del equipo realizaron la mayoría de sus pruebas en condiciones controladas de laboratorio, donde podían regular la cantidad de electricidad que ingresaba al sistema. Pero también diseñaron una máquina de demostración alimentada por energía solar que producía hidrógeno y oxígeno a partir de agua de mar recogida en la Bahía de San Francisco.

Y sin el riesgo de corrosión por las sales, el dispositivo coincidía con las tecnologías actuales que utilizan agua purificada. "Lo impresionante de este estudio fue que pudimos operar con corrientes eléctricas que son las mismas que se utilizan en la industria hoy en día", dijo Kenney.

Al mirar atrás, Dai y Kenney pueden ver la simplicidad de su diseño. "Si hubiéramos tenido una bola de cristal hace tres años, lo habríamos hecho en un mes", afirmó Dai. Pero ahora que se ha descubierto la receta básica para la electrólisis con agua de mar, el nuevo método abrirá las puertas para aumentar la disponibilidad de combustible de hidrógeno alimentado por energía solar o eólica.

En el futuro, la tecnología podría utilizarse para fines más allá de la generación de energía. Dado que el proceso también produce oxígeno respirable, los buzos o submarinos podrían llevar dispositivos al océano y generar oxígeno debajo sin tener que salir a la superficie en busca de aire.

En términos de transferencia de tecnología, "se podrían utilizar estos elementos en sistemas electrolizadores existentes y eso podría ser bastante rápido", dijo Dai. "No es como empezar desde cero, es más bien empezar desde el 80 o el 90 por ciento".

Otros autores coautores incluyen al científico visitante Yun Kuang de la Universidad de Tecnología Química de Beijing y Yongtao Meng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong. Los autores adicionales incluyen a Wei-Hsuan Hung, Yijin Liu, Jianan Erick Huang, Rohit Prasanna y Michael McGehee.

Este trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Nacional de Ciencias de China y el Proyecto Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China.

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