La química del agua del mar dificulta la extracción de las moléculas de hidrógeno. Pero se lleva intentando desde hace tiempo por la mayor disponibilidad de agua de mar respecto al agua dulce. Ahora, investigadores de la Universidad de Standford, en colaboración con las de Oregón y Manchester, han diseñado un nuevo sistema. Han conseguido extraer hidrógeno del océano canalizando agua del mar a través de un sistema de doble membrana y electricidad.

El estudio parte de investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores -SLAC- del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford. El diseño del sistema fue positivo también porque consiguió generar hidrógeno sin producir grandes cantidades de subproductos dañinos. Los resultados del estudio, publicados en Joule, podrían ayudar a avanzar en los esfuerzos para producir hidrógeno bajo en carbono.

Adam Nielander, científico del Centro SUNCAT para la ciencia de la interfaz y la catálisis, un instituto conjunto SLAC-Stanford, explica:

“En la actualidad, muchos sistemas de conversión de agua en hidrógeno intentan utilizar una membrana monocapa o de una sola capa. Nuestro estudio reunió dos capas”.

Y:

«Estas arquitecturas de membrana nos permitieron controlar la forma en que se movían los iones en el agua de mar en nuestro experimento».

Agua del mar

Son numerosos los sistemas que parten de agua dulce o desalinizada para producir hidrógeno. Sin embargo, explican los investigadores, esos sistemas pueden ser costosos y consumir mucha energía. Evidentemente, es más fácil trabajar con agua tratada porque tiene menos elementos químicos o moléculas.

Pero, según los investigadores, purificar el agua es costoso, requiere energía y agrega complejidad a los dispositivos. Y añaden que el agua dulce natural también contiene una serie de impurezas que son problemáticas para la tecnología moderna. Pero lo más problemático es que es un recurso más limitado en el planeta.

Para trabajar con agua de mar, el equipo implementó un sistema de membrana bipolar o de dos capas. Lo probó usando electrólisis, un método que utiliza electricidad para impulsar iones y ejecutar una reacción deseada.

Joseph Perryman, investigador postdoctoral de SLAC y Stanford, dijo:

“Comenzamos el diseño controlando el elemento más dañino para el sistema de agua de mar: el cloruro.

Hay muchas especies reactivas en el agua de mar que pueden interferir con la reacción de agua a hidrógeno, y el cloruro de sodio que hace que el agua de mar sea salada es uno de los principales culpables.

En particular, el cloruro que llega al ánodo y se oxida reducirá la vida útil de un sistema de electrólisis y, de hecho, puede volverse inseguro debido a la naturaleza tóxica de los productos de oxidación, que incluyen cloro molecular y lejía”.

La membrana bipolar en el experimento permite el acceso a las condiciones necesarias para producir gas hidrógeno. Y, además, evita que el cloruro llegue al centro de reacción. Según añadía Perryman:

“Básicamente estamos duplicando las formas de detener esta reacción de cloruro”.

Doble membrana

Un sistema de membrana ideal realiza tres funciones principales:

• Separa los gases de hidrógeno y oxígeno del agua de mar;
• Ayuda a mover solo los iones de hidrógeno e hidróxido útiles mientras restringe otros iones de agua de mar;
• Y ayuda a prevenir reacciones no deseadas.

Capturar estas tres funciones juntas es difícil. Por ello, la investigación del equipo de Standford está dirigida a explorar sistemas que puedan combinar eficientemente estas tres necesidades.

Específicamente en su experimento, los protones, que eran los iones de hidrógeno positivos, pasaron a través de una de las capas de la membrana a un lugar donde podían recolectarse y convertirse en gas hidrógeno al interactuar con un electrodo o cátodo cargado negativamente. La segunda membrana del sistema sólo permitía el paso de iones negativos, como el cloruro.

Como barrera adicional, una capa de la membrana contenía grupos cargados negativamente que estaban fijados a la membrana. Eso dificultaba que otros iones cargados negativamente, como el cloruro, se movieran a lugares donde no deberían estar. Así lo explicaba Daniela Marin, graduada de Stanford. estudiante graduada de Ingeniería Química de Standford y coautora del estudio.

La membrana con carga negativa demostró ser muy eficaz para bloquear casi todos los iones de cloruro en los experimentos. Además, su sistema funcionó sin generar subproductos tóxicos como lejía y cloro.

Hidrógeno y oxígeno del agua del mar

Asimismo, el estudio ayudó a comprender mejor a los investigadores cómo se mueven los iones del agua a través de membranas. Esto podría ayudar a los científicos a diseñar membranas más fuertes para otras aplicaciones, como la producción de oxígeno gaseoso. Según Marin:

“También hay cierto interés en usar la electrólisis para producir oxígeno.

Comprender el flujo de iones y la conversión en nuestro sistema de membrana bipolar también es fundamental para este esfuerzo. Además de producir hidrógeno en nuestro experimento, también mostramos cómo usar la membrana bipolar para generar oxígeno gaseoso”.

Ahora, el equipo planea mejorar sus electrodos y membranas construyéndolos con materiales más abundantes y fáciles de extraer. Esta mejora de diseño podría hacer que el sistema de electrólisis fuera más fácil de escalar. Se podría utilizar en la generación de hidrógeno para actividades intensivas en energía, como el sector del transporte.

Thomas Jaramillo, profesor de SLAC y Stanford y director de SUNCAT, dijo:

“El futuro es brillante para las tecnologías de hidrógeno verde.

Los conocimientos fundamentales que estamos obteniendo son claves para diseñar futuras innovaciones para mejorar el rendimiento, la durabilidad y la escalabilidad de esta tecnología”.

FUENTE: Hydrogen Central

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