Investigadores crean combustible hidrógeno a partir del agua de mar

Investigadores de Stanford han ideado una forma de generar combustible de hidrógeno usando energía solar, electrodos y agua salada de la Bahía de San Francisco.

Los hallazgos, publicados el 18 de marzo en Proceedings of the National Academy of Sciences, demuestran una nueva forma de separar el gas hidrógeno y el oxígeno del agua de mar a través de la electricidad. Los métodos existentes para dividir el agua se basan en agua altamente purificada, que es un recurso precioso y cuya producción es costosa.

Teóricamente, para alimentar ciudades y automóviles, «se necesita tanto hidrógeno que no es concebible usar agua purificada», dijo Hongjie Dai, J.G. Jackson y C.J. Wood, profesor de química en Stanford y co-autor principal en el artículo. «Apenas tenemos agua para nuestras necesidades actuales en California.»

El hidrógeno es una opción atractiva para el combustible porque no emite dióxido de carbono, dijo Dai. La quema de hidrógeno sólo produce agua y debería aliviar el empeoramiento de los problemas del cambio climático.

Dai dijo que su laboratorio mostró una prueba de concepto con una demostración, pero los investigadores dejarán que los fabricantes escalen y produzcan en masa el diseño.

Hacer frente a la corrosión

Como concepto, dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con electricidad – llamada electrólisis – es una idea simple y antigua: una fuente de energía se conecta a dos electrodos colocados en el agua. Cuando la energía se enciende, el gas de hidrógeno sale del extremo negativo, llamado cátodo, y el oxígeno respirable emerge en el extremo positivo, el ánodo.

Pero el cloruro cargado negativamente en la sal del agua de mar puede corroer el extremo positivo, limitando la vida útil del sistema. Dai y su equipo querían encontrar una manera de evitar que esos componentes del agua de mar rompieran los ánodos sumergidos.

Los investigadores descubrieron que si cubrían el ánodo con capas ricas en cargas negativas, las capas repelían el cloruro y retrasaban la descomposición del metal subyacente.

Hicieron capas de hidróxido de níquel-hierro sobre sulfuro de níquel, que cubre un núcleo de espuma de níquel. La espuma de níquel actúa como conductor, transportando electricidad desde la fuente de energía, y el hidróxido de níquel-hierro provoca la electrólisis, separando el agua en oxígeno e hidrógeno. Durante la electrólisis, el sulfuro de níquel evoluciona hacia una capa con carga negativa que protege el ánodo. Así como los extremos negativos de dos imanes se empujan entre sí, la capa cargada negativamente repele el cloruro y evita que llegue al metal central.

Sin el recubrimiento cargado negativamente, el ánodo sólo funciona durante unas 12 horas en agua de mar, según Michael Kenney, un estudiante graduado en el laboratorio de Dai y co-autor principal en el trabajo. «Todo el electrodo se desmorona», dijo Kenney. «Pero con esta capa, es capaz de pasar más de mil horas.»

Estudios previos que intentaban dividir el agua de mar para obtener combustible de hidrógeno habían usado cantidades bajas de corriente eléctrica, debido a que la corrosión ocurre en corrientes más altas. Pero Dai, Kenney y sus colegas pudieron conducir hasta 10 veces más electricidad a través de su dispositivo multicapa, que ayuda a generar hidrógeno a partir de agua de mar a un ritmo más rápido.

«Creo que establecimos un récord en la corriente para dividir el agua de mar», dijo Dai.

Los miembros del equipo realizaron la mayoría de sus pruebas en condiciones de laboratorio controladas, donde pudieron regular la cantidad de electricidad que entraba en el sistema. Pero también diseñaron una máquina de demostración alimentada por energía solar que producía gas hidrógeno y oxígeno a partir del agua de mar recogida en la Bahía de San Francisco.

Y sin el riesgo de corrosión por sales, el dispositivo se ajustaba a las tecnologías actuales que utilizan agua purificada. «Lo impresionante de este estudio fue que pudimos operar con corrientes eléctricas que son las mismas que las que se usan en la industria hoy en día», aseguró Kenney.

Sorprendentemente simple

Mirando hacia atrás, Dai y Kenney pueden ver la simplicidad de su diseño. «Si hubiéramos tenido una bola de cristal hace tres años, se habría hecho en un mes», dijo Dai. Pero ahora que la receta básica se ha elaborado para la electrólisis con agua de mar, el nuevo método abrirá las puertas para aumentar la disponibilidad de combustible de hidrógeno alimentado por energía solar o eólica.

En el futuro, la tecnología podría ser utilizada para fines que van más allá de la generación de energía. Dado que el proceso también produce oxígeno respirable, los buzos o submarinos pueden llevar dispositivos al océano y generar oxígeno abajo sin tener que salir a la superficie para obtener aire.

En cuanto a la transferencia de tecnología, «se podrían utilizar estos elementos en los sistemas de electrolizadores existentes y eso podría ser bastante rápido», dijo Dai. «No es como empezar de cero, es más como empezar del 80 al 90 por ciento.»