El hidrógeno puede considerarse como una forma de almacenar energía que luego puede ser utilizada para generar electricidad mediante una pila de combustible que puede alimentar el motor de un vehículo eléctrico. Se denomina hidrógeno verde al producido a partir de fuentes de energía renovable, como la solar o la eólica, mediante el proceso de electrólisis del agua. En este proceso, la electricidad descompone el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno verde es considerado una fuente de energía limpia y sostenible, ya que su producción y uso no generan emisiones de gases de efecto invernadero.
Sin embargo, además del uso de energía renovable, la producción de hidrógeno verde requiere grandes cantidades de agua. En concreto, se necesitan nueve litros de agua para producir un kilogramo de hidrógeno. Esto es significativo considerando que el agua es un recurso escaso y esencial para la vida.
Mejorando la eficiencia y la estabilidad de la electrolisis
Los electrolizadores alcalinos tradicionales presentan varios problemas como la incompatibilidad con las fuentes de energía renovable de carácter variable (no continuas) y la mezcla de hidrógeno y oxígeno a alta presión, que restringe sus aplicaciones. La electrólisis de agua en dos etapas resuelve estos problemas al separar completamente la producción de hidrógeno y oxígeno en tiempo y espacio mediante un electrodo bipolar, eliminando así la necesidad de un costoso separador de membrana.
La clave radica en desarrollar materiales de electrodos bipolares de alto rendimiento y diseños de celdas eficientes. Sin embargo, los electrodos de hidróxido de níquel, comúnmente usados, tienen limitaciones en términos de capacidad de amortiguación eléctrica y estabilidad de carga/descarga.
Los investigadores emplearon un método de electrodeposición de un solo paso para fabricar electrodos bipolares flexibles de hidróxido de níquel dopados con cobalto sobre tela de carbono. El dopaje con cobalto mejoró la conductividad y el rendimiento del almacenamiento electrónico, y evitó la producción parásita de oxígeno durante la producción de hidrógeno.
También desarrollaron catalizadores de metales no nobles, incluyendo electrodos bifuncionales de óxido de cobalto/níquel-cobalto dopados con molibdeno y compuestos de hierro inducidos por plasma, que mostraron alta durabilidad y actividad.
Estos electrodos permitieron la producción de hidrógeno y oxígeno en diferentes momentos y lugares al cambiar la dirección de la corriente, resultando en voltajes de celda bajos, alta eficiencia de desacoplamiento y alta eficiencia de conversión de energía.
Para mejorar los electrodos de hidróxido doble en capas (LDH), que sufren de capacidad limitada y mala conductividad/estabilidad, los investigadores utilizaron tecnología de plasma no térmico para fabricar electrodos LDH de níquel-cobalto dopados con nitrógeno y LDH de óxido de grafeno reducido/níquel-cobalto dopados con nitrógeno, mejorando significativamente la capacidad y la conductividad.
La investigación sobre estos electrodos avanzados de hidróxido de níquel dopados con cobalto y los catalizadores de metales no nobles ha sido publicada en las revistas Chemical Engineering Journal y Journal of Colloid and Interface Science
La electrólisis de agua en dos etapas es una tecnología prometedora para el almacenamiento de hidrógeno a gran escala y para aplicaciones como estaciones base 5G y centros de datos. "Nuestros indicadores de rendimiento para la electrólisis de agua en dos etapas para la producción de hidrógeno están sincronizados con indicadores avanzados a nivel mundial, lo que marca un paso importante hacia la operación industrial", ha afirmado el profesor Chen Changlun, del Hefei Institutes of Physical Science.
