Una célula cerámica duplica el rendimiento de hidrógeno limpio a partir de vapor industrial

Extraer hidrógeno del vapor dentro de las plantas industriales

Actualmente, la mayor parte del hidrógeno industrial se produce mediante el reformado de gas natural, un proceso que libera grandes volúmenes de dióxido de carbono. Las instalaciones químicas dependen de cantidades significativas de este gas para refinar combustibles, sintetizar fertilizantes y fabricar plásticos. Los electrolizadores convencionales de agua líquida exigen una electricidad considerable para dividir el agua líquida en hidrógeno y oxígeno, lo que representa una barrera intensiva en energía para la sostenibilidad industrial.

Para abordar este desafío, ingenieros químicos de la Universidad de Groninga diseñaron una célula electrolizadora cerámica protónica (PCEC), un invento del que informó Interesting Engineering. A diferencia de los sistemas líquidos estándar, las PCEC procesan vapor de agua a temperaturas intermedias de entre 400 °C y 650 °C, lo que coincide con las condiciones térmicas de escape que ya se generan dentro de las plantas químicas.

«Descubrimos una sinergia entre materiales de membrana y de electrodo que antes se había pasado por alto. Nuestra investigación tenía inicialmente otra dirección, pero nuestros primeros hallazgos nos hicieron pensar en un camino completamente nuevo».

— Dr. Vassilis Kyriakou, investigador principal de la Universidad de Groninga

Cómo la membrana cerámica separa el hidrógeno puro

El núcleo de la PCEC se basa en una membrana cerámica selectiva a los iones. Cuando el vapor entra en la célula y se encuentra con la corriente eléctrica, se descompone en oxígeno e iones de hidrógeno con carga positiva, conocidos como protones. Como solo los protones de hidrógeno son lo bastante pequeños para atravesar los poros del material cerámico, los demás elementos permanecen en el lado opuesto de la barrera.

Una vez que los protones cruzan la membrana, una carga negativa opuesta les permite ganar electrones y recombinarse en hidrógeno molecular (H2). Según Interesting Engineering, esta migración selectiva aísla el hidrógeno por completo de los demás gases. Como resultado, el dispositivo elimina los costosos pasos de purificación que requieren los electrolizadores convencionales.

Un electrodo de perovskita autoensamblante

Un cuello de botella técnico recurrente en el diseño de las PCEC ha sido encontrar un electrodo capaz de sobrevivir a condiciones duras de alta temperatura sin perder velocidad catalítica. Un equipo de investigación dirigido por el inventor Dr. Vassilis Kyriakou lo resolvió creando un electrodo autoensamblante basado en una matriz de óxido de perovskita.

Cuando los investigadores calentaron el conjunto en aire ambiente, los iones migraron a través de la interfaz que conecta la membrana y el electrodo. Este movimiento espontáneo hizo que nanopartículas de óxido de praseodimio brotaran por toda la superficie. Para aumentar la eficiencia, el equipo sometió la superficie a un lavado ácido, multiplicando el número de sitios catalíticos activos en el material.

Ganancias de eficiencia y despliegue futuro

La innovación electroquímica resultante demostró una notable resistencia durante las pruebas de laboratorio. La célula modificada completó más de 500 horas de funcionamiento continuo sin mostrar ninguna pérdida medible de estabilidad operativa, según Interesting Engineering.

Durante las pruebas, el dispositivo convirtió más del 95 por ciento de la corriente eléctrica suministrada directamente en hidrógeno, duplicando el rendimiento de producción logrado por diseños cerámicos anteriores. Al integrarse directamente con el calor residual de las fábricas, el diseño ofrece un modelo operativo para los procesos industriales Power-to-X que buscan eliminar progresivamente el reformado de gas natural, abriendo nuevas vías para presentar solicitudes de patente y para la comercialización de tecnologías limpias.

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