Catalizador de perovskita reduce en 500 grados la temperatura para producir hidrógeno limpio

Un equipo científico liderado por el profesor Yulong Ding de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Birmingham ha demostrado que es posible reducir en 500 grados Celsius la temperatura necesaria para la división termoquímica del agua mediante el uso de un catalizador de perovskita, según investigación publicada en el International Journal of Hydrogen Energy.

La división termoquímica es un método emergente para producir hidrógeno en el que un catalizador separa el agua en hidrógeno y oxígeno. Los catalizadores actuales requieren temperaturas de 700 a 1000 grados Celsius para dividir el agua, y necesitan entre 1300 y 1500 grados para regenerarse entre ciclos de producción, según la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía de Estados Unidos.

El nuevo catalizador de perovskita puede producir rendimientos sustanciales de hidrógeno en un rango de temperatura de 150 a 500 grados Celsius, y regenerarse a temperaturas entre 700 y 1000 grados, según el estudio de Birmingham. Esta reducción de temperatura representa un avance significativo para la viabilidad comercial de la producción de hidrógeno limpio.

"La temperatura general más baja del proceso podría permitir que el hidrógeno se produzca cerca de plantas de generación de energía renovable, y sectores industriales fundamentales como el acero, cemento, vidrio y químicos tienen abundancia de calor residual, que podría aprovecharse como entrada de calor para la producción de hidrógeno a baja temperatura", dijo el profesor Ding según la Universidad de Birmingham.

Las perovskitas son materiales con estructura de red cristalina que pueden absorber moléculas de oxígeno en su estructura y dividir moléculas que contienen oxígeno en sus partes constituyentes, según el Departamento de Energía de Estados Unidos. Estos materiales han mostrado potencial para alto rendimiento y bajos costos de producción en celdas solares, donde una capa delgada de perovskita absorbe luz y genera electrones que producen energía eléctrica.

Los investigadores de Birmingham se concentraron en perovskitas hechas de bario, niobio, calcio y hierro (perovskitas BNCF), que están fácilmente disponibles, no requieren síntesis compleja y no contienen ingredientes tóxicos, según el estudio. La investigación demostró que las perovskitas BNCF aceptan oxígeno en sus estructuras a temperaturas sustancialmente más bajas de lo que se creía previamente.

Una perovskita llamada BNCF100 resultó ser la formulación óptima, según los investigadores. El estudio confirmó que el catalizador puede regenerarse a temperaturas más bajas que los catalizadores actuales de división de agua y retener su capacidad de producir hidrógeno durante 10 ciclos de producción. La difracción de rayos X mostró pocos signos de cambio estructural en el catalizador durante todo el proceso, según la Universidad de Birmingham.

Un análisis preliminar de costo-competitividad mostró que la división de agua con el catalizador de perovskita puede entregar hidrógeno a un costo menor que el hidrógeno verde (producido del agua por electrólisis) o el hidrógeno azul (producido del metano con captura y almacenamiento de carbono), según el estudio. La ventaja de costo fue más pronunciada en regiones con tarifas bajas de energía renovable, como Australia.

"Si el hidrógeno se usa localmente, esto superaría los obstáculos presentados por el almacenamiento y transporte, permitiendo así la adopción de combustible de hidrógeno sin la necesidad de infraestructura costosa", dijo el profesor Ding según la universidad.

La investigación se realizó durante una colaboración con la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing y está siendo comercializada en el Reino Unido y Europa por la Universidad de Birmingham. University of Birmingham Enterprise ha presentado una solicitud de patente que cubre el uso de catalizadores BNCF para dividir agua a bajas temperaturas y actualmente busca socios de desarrollo para avanzar este enfoque, según la institución.

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y un portador de energía limpio y ambientalmente amigable. A diferencia de los combustibles fósiles, que producen emisiones dañinas y dióxido de carbono, el hidrógeno produce solo calor y agua en la combustión y también puede alimentar celdas de combustible que producen electricidad, según el Departamento de Energía de Estados Unidos. Sin embargo, mientras el hidrógeno es libre de carbono en el punto de uso, el 95 por ciento de la producción actual depende de combustibles fósiles.

El método más ampliamente usado para la producción de hidrógeno implica dividir metano mediante reformado con vapor. Esto representa casi la mitad del hidrógeno producido hoy, pero produce dióxido de carbono como subproducto, socavando su potencial como fuente de energía libre de carbono, a menos que se acople con captura y almacenamiento de carbono, según la Universidad de Birmingham. La electrólisis es un método más verde de producir hidrógeno, pero está en competencia con el hidrógeno más barato generado por división de metano, y consecuentemente solo entrega aproximadamente el 4 por ciento del hidrógeno suministrado.

Los métodos fotónicos usan luz para impulsar la conversión química del agua en hidrógeno, pero están en su infancia y enfrentan desafíos significativos en eficiencia, escalabilidad y costo-efectividad, según el estudio.

En el contexto más amplio de la tecnología de perovskitas, estos materiales también han mostrado progreso notable en aplicaciones de energía solar. Las celdas solares de perovskita han mostrado aumentos rápidos en eficiencia, desde reportes de aproximadamente 3 por ciento en 2009 hasta más de 26 por ciento hoy en dispositivos de área pequeña (aproximadamente 0.1 centímetros cuadrados), según el Departamento de Energía de Estados Unidos. Las celdas tándem de perovskita-silicio han alcanzado eficiencias de casi 34 por ciento.

Las perovskitas de haluro metálico, específicamente hechas de una combinación de iones orgánicos, metales y halógenos, son el material absorbente principal en celdas solares de perovskita. En esta tecnología potencialmente económica, una capa delgada de perovskita absorbe luz, lo que excita partículas cargadas llamadas electrones; cuando estos electrones excitados se extraen, generan energía eléctrica, según el Departamento de Energía.

La Oficina de Tecnologías de Energía Solar de Estados Unidos apoya proyectos de investigación y desarrollo que aumentan la eficiencia y vida útil de las celdas solares de perovskita de haluro metálico, acelerando la comercialización de tecnologías solares de perovskita y disminuyendo los costos de fabricación. Sin embargo, aunque las celdas solares de perovskita se han vuelto altamente eficientes en muy poco tiempo, la fotovoltaica de perovskita aún no se fabrica a escala y varios desafíos deben abordarse antes de que las perovskitas puedan convertirse en una tecnología fotovoltaica comercial competitiva, según la agencia estadounidense.

Los beneficios potenciales de la tecnología solar de perovskita incluyen bajo costo potencial debido a procesos de baja temperatura y la posibilidad de impresión basada en tinta de capas activas, lo que puede permitir fabricación más integrada con menos pasos de proceso menos costosos y menor gasto de capital, según el Departamento de Energía. Las perovskitas también muestran tolerancia a defectos, siendo más resilientes a imperfecciones en su estructura cristalina en relación con otros semiconductores convencionales.

El desarrollo del catalizador de perovskita para producción de hidrógeno representa una aplicación paralela de estos materiales versátiles, demostrando su potencial más allá de las aplicaciones solares para abordar desafíos críticos en la transición energética global hacia fuentes más limpias y sostenibles.