Investigadores en China crean dispositivo para dividir directamente el agua de mar para producir hidrógeno

Dec 12, 2023

Petmal/iStock

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Un equipo de investigación en China ha desarrollado un dispositivo para dividir el agua de mar salada para producir hidrógeno directamente. El dispositivo, un electrolizador de agua de mar basado en una membrana, ayuda a abordar los problemas de reacciones secundarias y corrosión de los métodos tradicionales.

El equipo dirigido por Zongping Shao, profesor de ingeniería química en la Universidad Tecnológica de Nanjing de China, publicó su estudio en la revista Nature y afirmó que su modelo "funcionó durante más de 3200 horas en condiciones de aplicación práctica sin fallas".

La mayor parte del hidrógeno que se produce en la actualidad proviene de fuentes de combustibles fósiles, lo que puede aumentar significativamente la huella de carbono. "La electrólisis electroquímica de agua salina que utiliza energía renovable como entrada es un método altamente deseable y sostenible para la producción en masa de hidrógeno verde", dijo un comunicado.

Sin embargo, hay un problema. Las propiedades del agua salada dan como resultado la corrosión de los electrodos utilizados en varios sistemas, haciéndolos a menudo inviables. El uso de recubrimientos de polianión para resistir la corrosión por iones de cloruro o electrocatalizadores altamente selectivos no ha ayudado lo suficiente para aplicaciones prácticas.

Un proceso de desalinización puede resolver el problema, "pero requiere un aporte de energía adicional, lo que lo hace económicamente menos atractivo". El tamaño del equipo involucrado en el proceso de desalinización también hace que estas soluciones sean menos flexibles.

Un electrolizador generalmente consta de dos electrodos recubiertos con catalizadores y una membrana separa los componentes constituyentes: hidrógeno y oxígeno. La formación del gas de cloro altamente corrosivo en el proceso hace que los catalizadores y electrodos se degraden más rápido. Los iones de magnesio y calcio en el agua de mar también pueden bloquear las membranas. Estos factores disminuyen la eficiencia general y la vida útil de dichos dispositivos.

"Nuestra estrategia realiza electrólisis directa de agua de mar eficiente, escalable y de tamaño flexible de una manera similar a la división de agua dulce sin un aumento notable en el costo de operación", dijo Shao a IEEE Spectrum.

El equipo utiliza una solución electrolítica de hidróxido de potasio concentrada para sumergir los electrodos, y una membrana porosa ayuda a separar la solución electrolítica del agua de mar. La membrana rica en flúor bloquea el agua líquida pero deja pasar el vapor de agua.

Durante la electrólisis, el agua en la solución electrolítica se escupe en sus componentes constituyentes. Esto da como resultado una variación de presión entre el electrolito y el agua de mar, provocando que esta última se evapore. Al mismo tiempo, el agua pasa a través de la membrana hacia el electrolito y se convierte nuevamente en agua líquida, reponiendo el material para el próximo ciclo.

"Es importante destacar que esta configuración y mecanismo prometen más aplicaciones en el tratamiento simultáneo de efluentes a base de agua y la recuperación de recursos y la generación de hidrógeno en un solo paso".

Los investigadores están seguros de que su dispositivo, además de producir hidrógeno, también podrá recuperar litio del agua de mar. Otras aplicaciones del dispositivo se extienden a actividades como la limpieza de agua dulce industrial.

Abstracto

La electrólisis electroquímica de agua salina que utiliza energía renovable como entrada es un método altamente deseable y sostenible para la producción en masa de hidrógeno verde; sin embargo, su viabilidad práctica se ve seriamente cuestionada por una durabilidad insuficiente debido a las reacciones laterales de los electrodos y los problemas de corrosión que surgen de los componentes complejos del agua de mar. Aunque la ingeniería de catalizadores que utiliza recubrimientos de polianiones para suprimir la corrosión por iones de cloruro o crear electrocatalizadores altamente selectivos se ha explotado ampliamente con un éxito modesto, todavía está lejos de ser satisfactoria para las aplicaciones prácticas. La división indirecta del agua de mar mediante el uso de un proceso de desalinización previa puede evitar problemas de reacción secundaria y corrosión, pero requiere un aporte de energía adicional, lo que lo hace económicamente menos atractivo. Además, el voluminoso sistema independiente de desalinización hace que los sistemas de electrólisis de agua de mar sean menos flexibles en términos de tamaño. Aquí proponemos un método de electrólisis de agua de mar directa para la producción de hidrógeno que aborda radicalmente los problemas de reacción secundaria y corrosión. Un sistema de demostración se operó de manera estable a una densidad de corriente de 250 miliamperios por centímetro cuadrado durante más de 3200 horas en condiciones de aplicación práctica sin fallas. Esta estrategia realiza electrólisis directa de agua de mar eficiente, escalable y de tamaño flexible de una manera similar a la división de agua dulce sin un aumento notable en el costo de operación, y tiene un alto potencial para la aplicación práctica. Es importante destacar que esta configuración y mecanismo prometen más aplicaciones en el tratamiento simultáneo de efluentes a base de agua y la recuperación de recursos y la generación de hidrógeno en un solo paso.