Investigadores de la Universidad de Adelaida y el Centro de Excelencia del Consejo Australiano de Investigación para la Ciencia e Innovación del Carbono (COE-CSI) han creado dos sistemas de electrólisis que aprovechan la urea presente en la orina y las aguas residuales para producir hidrógeno, reduciendo el consumo de electricidad hasta en un 27% en comparación con la producción de hidrógeno a partir de agua.
El investigador principal del COE-CSI, el profesor Yao Zheng, afirmó que este enfoque no solo hace que el hidrógeno verde sea económicamente competitivo frente a las alternativas derivadas de combustibles fósiles, sino que también crea una solución elegante para el tratamiento de aguas residuales.
“Aunque no hemos resuelto todos los problemas, si estos sistemas se escalan, nuestros sistemas producen gas nitrógeno inofensivo en lugar de nitratos y nitritos tóxicos, y cualquiera de los dos sistemas utilizará entre un 20 y un 27% menos de electricidad que los sistemas de electrólisis del agua”, señaló.
El hidrógeno se genera típicamente mediante electrólisis para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El equipo de investigación afirmó que este proceso es “costoso” y requiere mucha energía, ya que necesita 1,23 V para activar la reacción, mientras que ellos pudieron dividir la urea, que como portador de hidrógeno tiene una barrera de descomposición termodinámica más baja que el agua, con solo 0,37 V.
En su primer estudio, el equipo empleó un sistema de electrólisis sin membrana impulsado por un catalizador a base de cobre con urea pura como materia prima. Esa urea se produjo mediante el proceso de síntesis de amoníaco Haber-Bosch. Para evitar este proceso intensivo en energía y generador de carbono, se diseñó un segundo sistema para utilizar la urea encontrada en la orina.
“Necesitamos reducir el costo de producción de hidrógeno, pero de una manera neutra en carbono”, dijo Zheng. “El sistema de nuestro primer artículo, aunque utiliza un sistema sin membrana único y un novedoso catalizador a base de cobre, usaba urea pura, que se produce a través del proceso Haber-Bosch, intensivo en energía y que libera mucho CO₂”.
“Solucionamos esto utilizando una fuente verde de urea, la orina humana, que es la base del sistema examinado en nuestro segundo artículo”.
Aunque es una fuente prometedora de urea, la orina presenta su propio desafío. Contiene iones cloruro que pueden desencadenar reacciones químicas no deseadas durante la electrólisis. Estas reacciones producen gas cloro que corroe el ánodo del sistema y afecta la funcionalidad a largo plazo.
Para abordar esto, el segundo sistema de los investigadores presenta un mecanismo de oxidación mediado por cloro que redirige la ruta de la reacción utilizando catalizadores a base de platino soportados en carbono.
Los investigadores señalaron que este enfoque no solo protege el ánodo, sino que también mantiene una producción eficiente de hidrógeno a partir de la orina, añadiendo que el sistema basado en platino logra un consumo eléctrico tan bajo como 4,05 kWh por metro cúbico de hidrógeno, superando a la electrólisis tradicional del agua (4,70-5,00 kWh).
“Las implicaciones financieras de este avance podrían transformar el panorama del hidrógeno verde”, afirmaron, añadiendo que los cálculos sugieren que el hidrógeno producido a través de su sistema cuesta menos que el “hidrógeno gris” extraído tradicionalmente de combustibles fósiles.
“El electrolizador industrial sin membrana basado en este sistema reduce con éxito el costo de producción de hidrógeno a 1,81 dólares por kilogramo, menor que el del hidrógeno gris y por debajo del objetivo técnico del Departamento de Energía de EE. UU. para 2030 de 2,00-2,50 dólares por kilogramo”, dijeron los investigadores.
El equipo ahora trabaja en la construcción de sistemas completos sin membrana que recuperen hidrógeno verde y remedien aguas residuales ricas en nitrógeno. También reconocen que el uso de platino como material catalítico no es sostenible y están desarrollando alternativas de metales no preciosos.
La investigación ha alumbrado dos trabajos, «Membrane-Free Water Electrolysis for Hydrogen Generation with Low Cost» (Electrólisis de agua sin membrana para la generación de hidrógeno a bajo costo) y «Urine electrooxidation for energy–saving hydrogen generation» (Electrooxidación de orina para la generación de hidrógeno con ahorro energético), publicados en Angewandte Chemie International Edition y Nature Communications, respectivamente.
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