Investigadores de Stanford han ideado una manera de generar combustible de hidrógeno utilizando energía solar, electrodos y agua salada sin purificar, el elemento más abundante en la Tierra.
Los hallazgos, publicados en la revista 'PNAS', demuestran una nueva forma de separar el hidrógeno y el gas oxígeno del agua de mar a través de la electricidad. Los métodos de separación de agua existentes dependen del agua altamente purificada, que es un recurso precioso y costoso de producir.
Teóricamente, para impulsar las ciudades y los automóviles, "se necesita tanto hidrógeno que no es posible usar agua purificada", dijo en un comunicado Hongjie Dai, J.G. Jackson y C.J. Wood, profesor de química en Stanford y coautor principal del artículo. "Apenas tenemos suficiente 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 produce solo agua y debería facilitar hace frente a los problemas del cambio climático.
Dai dijo que su laboratorio mostró una prueba de concepto con una demostración, pero los investigadores dejarán a los fabricantes producir a escala y en masa el diseño.
Como concepto, dividir el agua en hidrógeno y oxígeno con electricidad, llamada electrólisis, es una idea simple y antigua: una fuente de alimentación se conecta a dos electrodos colocados en el agua. Cuando se enciende la alimentación, las burbujas de gas hidrógeno salen del extremo negativo, llamado cátodo, y el oxígeno respirable emerge en el extremo positivo, el ánodo.
Pero el cloruro cargado negativamente en la sal de 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 los componentes del agua de mar rompan los ánodos sumergidos.
Los investigadores descubrieron que si cubrían el ánodo con capas ricas en cargas negativas, las capas repelen el cloruro y reducen la descomposición del metal subyacente.
Se colocaron capas de hidróxido de níquel e hierro sobre el sulfuro de níquel, que cubre un núcleo de espuma de níquel. La espuma de níquel actúa como un conductor, transportando electricidad desde la fuente de energía, y el hidróxido de níquel-hierro enciende la electrólisis, separando el agua en oxígeno e hidrógeno. Durante la electrólisis, el sulfuro de níquel se convierte en una capa cargada negativamente que protege el ánodo. Al igual que los extremos negativos de dos imanes se empujan uno contra el otro, la capa cargada negativamente repele el cloruro y evita que alcance el metal del núcleo.
Sin el revestimiento con carga negativa, el ánodo solo funciona durante aproximadamente 12 horas en agua de mar, según Michael Kenney, un estudiante graduado en el laboratorio de Dai y co-autor principal del periódico. "Todo el electrodo se desmorona en una migaja", dijo Kenney. "Pero con esta capa, es capaz de funcionar más de mil horas".
Los estudios anteriores que intentaron dividir el agua de mar para el combustible de hidrógeno habían aplicado cantidades bajas de corriente eléctrica, porque la corrosión se produce en corrientes más altas. Pero Dai, Kenney y sus colegas pudieron conducir hasta 10 veces más electricidad a través de su dispositivo de múltiples capas, lo que ayuda a generar hidrógeno a partir del agua de mar a una velocidad mayor. "Creo que establecimos un récord en la corriente empleada 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 ingresa al sistema. Pero también diseñaron una máquina de demostración que funciona con energía solar que produce hidrógeno y gas oxígeno a partir del agua de mar que se obtiene de la Bahía de San Francisco.
Y sin el riesgo de corrosión de las sales, el dispositivo combinó las tecnologías actuales que utilizan agua purificada. "Lo impresionante de este estudio fue que pudimos operar con corrientes eléctricas que son las mismas que se usan en la industria hoy en día", dijo Kenney.
Mirando hacia atrás, Dai y Kenney pueden ver la simplicidad de su diseño. "Si hubiéremos tenido una bola de cristal hace tres años, se habría hecho en un mes", dijo Dai. Pero ahora que la receta básica está diseñada para la electrólisis con agua de mar, el nuevo método abrirá puertas para aumentar la disponibilidad de combustible de hidrógeno alimentado por energía solar o eólica.
En el futuro, la tecnología podría utilizarse para fines más allá de la generación de energía. Dado que el proceso también produce oxígeno respirable, los buzos o submarinos podrían llevar dispositivos al océano y generar oxígeno sin tener que salir a la superficie para respirar aire.
En términos de transferencia de la tecnología, "uno podría usar estos elementos en los sistemas de electrolizadores existentes y eso podría ser bastante rápido", dijo Dai. "No es como empezar desde cero, es más como comenzar desde 80 o 90 por ciento".
