Un nuevo dispositivo puede producir hidrógeno sumergiéndolo en agua salada

John Timmer - 30 de noviembre de 2022 9:55 p. m. UTC

A medida que la energía renovable se vuelve más barata, existe un creciente impulso para encontrar formas de almacenarla de manera económica. Las baterías pueden manejar flujos de producción a corto plazo, pero es posible que no puedan manejar déficits a largo plazo o cambios estacionales en la producción de energía. El hidrógeno es una de las varias opciones que se están considerando y que tiene el potencial de servir como puente a largo plazo entre períodos de alta productividad renovable.

Pero el hidrógeno tiene sus propios problemas. Obtenerlo dividiendo el agua es bastante ineficiente desde el punto de vista energético y almacenarlo durante largos períodos puede ser un desafío. La mayoría de los catalizadores productores de hidrógeno también funcionan mejor con agua pura, un elemento que no es necesariamente fácil de obtener ya que el cambio climático está aumentando la intensidad de las sequías.

Un grupo de investigadores con sede en China ha desarrollado un dispositivo que puede producir hidrógeno cuando comienza con agua de mar; de hecho, el dispositivo debe estar sumergido en agua de mar para funcionar. El concepto clave para que funcione será familiar para cualquiera que entienda cómo funciona la mayoría de la ropa impermeable.

La ropa impermeable y transpirable se basa en una membrana con poros cuidadosamente estructurados. La membrana está hecha de un material que repele el agua. Tiene poros, pero son demasiado pequeños para permitir el paso del agua líquida. Pero son lo suficientemente grandes como para que puedan pasar moléculas de agua individuales. Como resultado, el agua del exterior de la ropa permanece allí, pero el sudor del interior que se evapora seguirá fluyendo a través de la tela y llegará al mundo exterior. Como resultado, la tela respira.

Una membrana similar es fundamental para el funcionamiento del nuevo dispositivo. Evita que el agua líquida atraviese la membrana pero permite el paso del vapor de agua. La gran diferencia es que hay agua líquida a ambos lados de la membrana.

En el exterior, agua de mar, con su habitual acumulación de sales. En el interior, hay una solución concentrada de una sola sal, en este caso hidróxido de potasio (KOH), que es compatible con el proceso de electrólisis que produce hidrógeno. Sumergido en la solución de KOH hay un conjunto de electrodos que producen hidrógeno y oxígeno a cada lado de un separador, manteniendo puras las corrientes de gas.

Entonces, ¿qué sucede una vez que el hardware comienza a funcionar? A medida que el agua dentro del dispositivo se divide, produciendo hidrógeno y oxígeno, los niveles reducidos de agua aumentan la concentración de la solución de KOH (que inicialmente era mucho más concentrada que el agua de mar). Esto hace que sea energéticamente favorable que el agua se mueva a través de la membrana desde el agua de mar para diluir el KOH. Y, gracias a los poros, eso es posible, pero sólo si el agua se mueve en forma de vapor.

Como resultado, el agua existe brevemente en la etapa de vapor mientras está dentro de la membrana y luego regresa rápidamente al estado líquido una vez que está dentro del dispositivo. Toda la compleja mezcla de sales del agua de mar queda fuera de la membrana y se proporciona un suministro constante de agua dulce a los electrodos que la dividen. Fundamentalmente, todo esto se lleva a cabo sin el uso de energía que normalmente implica la desalinización, lo que hace que el proceso general sea más eficiente energéticamente que limpiar el agua para usarla en un electrolizador estándar.

Todo esto suena genial en principio, pero ¿realmente funciona? Para averiguarlo, el equipo montó un dispositivo y lo utilizó en el agua de mar de la Bahía de Shenzhen (una entrada al norte de Hong Kong y Macao). Y, según casi todas las medidas de desempeño razonables, funcionó bien.

Mantuvo su rendimiento incluso después de 3200 horas de uso, y la microscopía electrónica de la membrana después de su uso indicó que los poros permanecían desbloqueados en este punto. El KOH utilizado para el sistema no era completamente puro, por lo que contenía niveles bajos de los iones que se encuentran en el agua de mar. Pero esos niveles no aumentaron con el tiempo, lo que confirma que el sistema mantuvo el agua de mar fuera de la cámara de electrólisis. En cuanto a la energía, el sistema utilizó tanta energía como un electrolizador estándar, lo que confirma que la purificación del agua no suponía ningún coste energético.

La solución de KOH también se autoequilibró, y la difusión del agua en el dispositivo se ralentizó si su solución interna se diluía demasiado. Si se concentra demasiado, la eficiencia de la electrólisis disminuye, por lo que la eliminación de agua se ralentiza.

Los autores estiman que su dispositivo soportaría presiones de hasta unos 75 metros de agua de mar. Sin embargo, la temperatura a esas profundidades podría ser limitante, ya que la velocidad de difusión del agua a través de la membrana era seis veces mayor a 30° C que a 0° C.

Incluso con todas esas buenas noticias, existen opciones para mejorar el rendimiento. Son adecuadas varias sales además de KOH y algunas pueden funcionar mejor. Los investigadores también descubrieron que la incorporación de KOH en un hidrogel alrededor de los electrodos aumentaba la producción de hidrógeno. Finalmente, es posible que alterar el material o la estructura de los electrodos utilizados en la división del agua pueda mejorar aún más las cosas.

Finalmente, el equipo sugirió que esto podría ser útil para otras cosas además de la producción de hidrógeno. En lugar de agua de mar, sumergieron uno de los dispositivos en una solución de litio diluida y descubrieron que 200 horas de funcionamiento aumentaban las concentraciones de litio en más de 40 veces debido al agua que entraba en el dispositivo. Hay muchos otros contextos, como la purificación de agua contaminada, donde este tipo de capacidad de concentración podría resultar útil.

Esto no resuelve todos los problemas asociados con el uso del hidrógeno como medio de almacenamiento de energía. Pero ciertamente tiene el potencial de permitirnos eliminar "necesita agua pura" de la lista de esos problemas.

Naturaleza, 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05379-5 (Acerca de los DOI).