Investigadores estadounidenses han creado un nuevo método de extracción del hidrógeno que además de ser barato puede simplificar enormemente los problemas que genera su transporte. La técnica utiliza nanotecnología para combinar hierro, cobre y luz LED para extraer el hidrógeno del amoníaco líquido a demanda, un proceso que hasta ahora era caro y requería mucha energía.
“Se habla mucho de que el hidrógeno es el combustible limpio por excelencia, pero todavía tiene que ser menos costoso y fácil de almacenar y transportar”, afirma Naomi Halas, profesora de la Universidad de Rice y una de las principales autoras del estudio publicado recientemente en la revista Science. “Este resultado demuestra que estamos avanzando rápidamente hacia ese objetivo, con una nueva forma de extraer hidrógeno a la carta a partir de un medio de almacenamiento que utiliza materiales abundantes en la tierra y el avance tecnológico de la iluminación de estado sólido”.
El problema del transporte
El hidrógeno es la gran promesa de la revolución energética. Funciona como combustible, tiene alta densidad energética y, si se extrae mediante métodos no contaminantes, no emite CO2. Pero su gran problema es su precio, en estos momentos sigue siendo caro de producir, de transportar y de almacenar.
Se han estudiado en estos años métodos alternativos de transporte y almacenamiento que usan productos químicos que hacen de intermediario. Uno de los más usados es el amoníaco —compuesto por tres átomos de hidrógeno y uno de nitrógeno (NH3)— que, al contrario de lo que pasa con el hidrógeno en forma de gas (H2), se puede transportar y almacenar de manera segura. Sin embargo, separar el hidrógeno y el nitrógeno del amoniaco suele requerir temperaturas que pueden superar los 400 grados Celsius, con lo que el proceso se hace complicado y caro por el gasto de energía que supone.
“Este descubrimiento allana el camino hacia un hidrógeno sostenible y de bajo coste que podría producirse localmente en lugar de en enormes plantas centralizadas”, afirma Peter Nordlander, profesor de Rice y otro de los autores principales.
Cómo funciona el nuevo método
Los investigadores aseguran que la industria utiliza una gran variedad de materiales como catalizadores para separar los componentes del amoniaco. Uno de los más empleados, dicen, es el rutenio, un metal del grupo del platino que tiene un alto precio, pero que puede acelerar la reacción química sin sufrir modificaciones. El equipo pensó que la nanotecnología les permitiría emplear elementos más baratos como el cobre y el hierro como catalizador. Así que buscaron la manera de transformar el proceso de división habitual para convertir al amoníaco en un portador de hidrógeno más sostenible y económicamente viable.
Para ello apuntaron luz LED a unas nanoestructuras de metal que tienen una sola longitud de onda de luz. Esto, dicen los investigadores, les permite manipular las ondas de luz para excitar los electrones de las nanopartículas como forma de dividir el amoníaco en hidrógeno y nitrógeno sin necesidad de emplear mucho calor.
Esa combinación de las nanoestructuras metálicas y la luz es un campo relativamente nuevo que se conoce como plasmónica. La plasmónica, dice el equipo, requiere ciertos tipos de metales, como el cobre, la plata o el oro, así que se decidieron por añadir hierro al cobre para crear las nanoestructuras. Las diminutas estructuras de cobre, dicen, se comportan como antenas para manipular la luz del LED y excitar los electrones a energías más altas, mientras que los átomos de hierro incrustados en el cobre actúan como catalizadores para acelerar la reacción.
Los investigadores de la Universidad de RIce han contado con la ayuda de científicos de la Universidad de Princeton, también en EEUU, y de su sistema informático de alto rendimiento TIGRESS (Infraestructura de Terascala para la Investigación Innovadora en Ingeniería y Ciencia) para calibrar los parámetros exactos de esa reacción con su simulador de mecánica cuántica.
“Con las simulaciones de mecánica cuántica podemos determinar los pasos de la reacción que limitan la velocidad”, explica Emily Carter, catedrática de Energía y Medio Ambiente y profesora de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y de Matemáticas Aplicadas y Computacionales en Princeton. “Estos son los cuellos de botella”.
Hidrógeno producido a demanda
Una vez perfeccionado el proceso, el equipo asegura que es capaz de extraer de forma consistente el hidrógeno del amoníaco utilizando sólo la luz de los LEDs de bajo consumo a temperatura ambiente sin ningún tipo de calentador adicional. Este método, dicen los investigadores, es escalable y ahora trabajan en encontrar nuevos catalizadores que aumenten la eficacia del proceso y reduzcan su coste aún más.
“El hidrógeno se utiliza de forma omnipresente en la industria y se utilizará cada vez más como combustible a medida que el mundo intente descarbonizar sus fuentes de energía”, explica Carter. “Sin embargo, hoy en día se fabrica mayoritariamente de forma insostenible a partir de gas natural —lo que genera emisiones de dióxido de carbono— y es difícil de transportar y almacenar. El hidrógeno debe fabricarse y transportarse de forma sostenible allí donde se necesite. Si se pudiera producir amoníaco libre de emisiones de carbono, por ejemplo, mediante la reducción electrolítica del nitrógeno utilizando electricidad descarbonizada, podría transportarse, almacenarse y, posiblemente, servir como fuente de hidrógeno verde a demanda utilizando los fotocatalizadores de hierro y cobre iluminados por LED que aquí se presentan”.
El Confidencial
