Los catalizadores no nobles abren el camino hacia el hidrógeno asequible

A medida que el mundo se aleja de los combustibles fósiles para mitigar la crisis del calentamiento globalEl hidrógeno está ganando protagonismo como el "combustible del futuro".

Esto se debe a varias razones, entre ellas, la abundancia de agua, un mayor rendimiento energético, la creación de solo agua como subproducto y una producción mínima o nula de energía. emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)Estas cualidades hacen que el hidrógeno limpio sea utilizable en una variedad de aplicaciones, como el transporte, la generación de electricidad, la calefacción y la industria, incluidos el acero, los productos químicos y el cemento. 

Si bien el hidrógeno presenta un enorme potencial para la descarbonización de nuestra sociedad, la mayor parte del H₂ producido actualmente proviene del propio combustible fósil (metano), lo que genera importantes emisiones de CO₂. Esto implica la necesidad de alternativas escalables para producir hidrógeno verde y limpio.

Como resultado, la investigación actual se centra en encontrar formas eficientes y respetuosas con el medio ambiente de producir combustible de hidrógeno. 

HER: Una vía prometedora para la producción de hidrógeno verde

Uno de los enfoques prometedores para producir hidrógeno verde Lo que ha captado mucha atención es la electrólisis del agua.

Una reacción clave que ocurre en la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno es la reacción de evolución de hidrógeno (HER), un proceso fundamental en electroquímica. 

La electrólisis del agua consiste simplemente en utilizar electricidad para dividir el agua en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2), lo que proporciona una forma eficiente y limpia de producir combustible de hidrógeno a gran escala.

Gracias a su pequeña pérdida óhmica (que es la energía potencial que se pierde en forma de calor a medida que las cargas eléctricas fluyen a través de un medio), alta densidad de corriente y baja tasa de cruce de gases, la extensión del proceso HER a escala de laboratorio a un electrolizador de agua de membrana de intercambio de protones (PEM) comercial proporciona una ruta sustentable hacia el hidrógeno verde.

En la electrólisis PEM, el hidrógeno es producido por la división del agua Utilizando electricidad y un electrolito de polímero sólido. En este proceso, primero se aplica electricidad para separar las moléculas de agua en iones de hidrógeno (protones), electrones y oxígeno. Los protones se mueven a través de la membrana, un polímero conductor de protones que separa el ánodo del cátodo, mientras que los electrones viajan a través de un circuito externo.

En el ánodo, la molécula de agua se oxida, produciendo únicamente oxígeno, protones y electrones. En el cátodo, los protones y electrones se combinan para formar hidrógeno gaseoso.

Este método se utiliza para producir hidrógeno para pilas de combustible, además de emplearse en diversos procesos industriales como la producción de fertilizantes, la refinación de petróleo y los productos petroquímicos.

Sin embargo, el problema surge con las duras condiciones de trabajo, como la fuerte interfaz ácida reductora entre el electrolito y el catalizador. Este entorno obliga a los electrolizadores PEM comerciales a utilizar un cátodo de platino (Pt), que no es abundante y, por lo tanto, resulta costoso, para mantener una alta actividad. 

Las duras condiciones hacen que estos cátodos (basados ​​en metales no preciosos) no sean adecuados para electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM).

La amplia aplicación práctica de la PEM, a escala de teravatios, requiere catalizadores económicos para reemplazar los metales nobles. Si bien la búsqueda de cátodos basados ​​en metales no preciosos aptos para la comercialización de la PEM continúa, sigue siendo un desafío.

En este caso, los fosfuros de metales de transición (TMP) han demostrado ser prometedores como catalizadores de HER, pero su uso para reemplazar metales nobles aún se encuentra en sus primeras etapas. Una razón principal es la falta de comprensión de la tolerancia en condiciones de trabajo rigurosas, así como del monitoreo de las rotaciones de sitios activos durante el proceso de generación de hidrógeno.

La estrategia de reconstrucción de la superficie produce combustible de hidrógeno asequible

Recientemente, se ha informado que el uso de nanopartículas de CoP como cátodos se ha integrado fácilmente en electrolizadores de agua PEM industriales, lo que demuestra sus posibles aplicaciones comerciales. 

Sin embargo, el problema es ampliar la reacción de HER desde un experimento de laboratorio a una producción comercial a gran escala manteniendo los costos bajos, como lo ha logrado el último estudio.

Según Hallazgos publicados en Advanced Energy Materials¹ En abril de 2025, un equipo de investigadores de la Universidad de Tohoku demostró el uso extendido de un cátodo CoP|F (CoP modificado con F) desde escala de laboratorio (0.2 cm²) a un electrolizador PEM comercial (38 cm²).

Mientras buscaban un rendimiento superior del HER, los investigadores descubrieron que la vía de reconstrucción de la superficie puede crear cátodos duraderos basados ​​en metales no nobles que mejoran el HER.

Estos cátodos pueden mantener su rendimiento durante más de 300 horas. Además, el costo calculado por el equipo también se acercó mucho al objetivo de producción de H₂ para 2026 establecido por el Departamento de Energía de EE. UU., que es de $2 por kg de H₂.

Para acelerar la reacción de HER, que es lenta e ineficiente por naturaleza, el equipo recurrió a los TMP. Los fosfuros de metales de transición son metales no preciosos rentables y duraderos. Se trata de un catalizador prometedor con una estructura electrónica única y una alta actividad catalítica, lo que mejora la eficiencia de HER.

Dado que normalmente se utilizan metales nobles para este propósito, los investigadores creen que existe una brecha de conocimiento sobre los metales no nobles que necesita ser llenada.

Un catalizador de metal no noble se refiere a un material alternativo rentable y de amplia disponibilidad en comparación con los metales nobles. Estos catalizadores de metal no noble ofrecen una reactividad ajustable, lo que significa que pueden modificarse según sea necesario para mejorar la estabilidad, la selectividad y la actividad en diferentes procesos catalíticos.

Entonces, el equipo preparó el CoP modificado con F y luego utilizó espectroscopia de absorción de rayos X operando (XAS) y mediciones Raman para evaluar sus diversas características, como la reconstrucción de la superficie y los sitios activos reales.

Los resultados confirmaron que agregar flúor a la red CoP1-x puede promover la ruptura de enlaces Co-P, lo que resulta en la reconstrucción del Co metálico amorfo. La formación de sitios vacantes de fósforo (P) en la superficie crea sitios más activos, lo que acelera la HER.

La superficie reconstruida exhibe alta actividad y tolerancia en la interfaz ácida reductora entre el electrolito y el catalizador. Cabe destacar que, al usarse como cátodo en un electrolizador PEM comercial, el rendimiento del cátodo de CoP|F) es comparable al del catalizador avanzado de Pt/C, a un costo de tan solo $2.17 por kgH₂₀.

“Este Co reconstruido es altamente activo, funciona en condiciones ácidas y puede mantener aproximadamente 76 W durante más de 300 horas”, afirmó Heng Liu, profesor adjunto del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (WPI-AIMR). “Nos estamos acercando a un método asequible para producir combustible”, añadió, señalando que el costo es de tan solo 17 centavos por encima del objetivo de producción actual, establecido para 2026.

Con estos impresionantes resultados, los investigadores esperan proporcionar una ruta de reconstrucción de superficies para cátodos basados ​​en metales no nobles altamente eficientes, económicos y duraderos para electrolizadores PEM comerciales. 

Más importante aún, la configuración no solo se probó a escala de laboratorio con tres electrodos, sino que se amplió a escala comercial. Y con este diseño racional para cátodos completamente nuevos, que podrían servir de base para otros cátodos basados ​​en metales no nobles, el estudio potencialmente acorta la distancia entre el laboratorio y la fábrica.

Siempre pensamos en el objetivo final: que la investigación se integre en la vida cotidiana. Este avance nos acerca un paso más al diseño de opciones más realistas para aplicaciones comerciales de PEM.

– Liu

Avances en la producción de hidrógeno limpio

Dado que el hidrógeno emerge como una prometedora fuente de energía limpia y renovable, actualmente se presta mucha atención a la producción eficiente de hidrógeno que pueda satisfacer la demanda a escala comercial, con un mayor interés en la división del agua impulsada por electricidad.

La electrólisis del agua se puede dividir en dos reacciones: la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER), donde el agua se reduce en el cátodo para producir hidrógeno, y la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER), donde el agua se oxida en el ánodo para producir O₂. En ambos casos, la catálisis desempeña un papel fundamental, lo que crea la necesidad de catalizadores altamente eficaces para producir H₂ y O₂ eficientemente.

Justo este mes, en otra investigación del AIMR de la Universidad de Tohoku, los investigadores propusieron un nuevo marco catalítico que ofrece un posible enfoque para la producción económica de hidrógeno mediante la electrólisis del agua. Sin embargo, el enfoque principal aquí se centró en los REA.

El material se centra en Co2O50 (óxido de cobalto (II, III)) monocristalino mesoporoso (materiales porosos con diámetros de poro en el rango de 3 a 4 nm) dopado con iridio (Ir) disperso atómicamente, diseñado para el OER ácido.

Si bien es conocido por su rendimiento en REA, el iridio es escaso y costoso. Además, el uso eficiente del iridio, manteniendo la estabilidad, presenta un desafío para la ampliación de la tecnología. Por lo tanto, el estudio presenta una solución mediante un material que maximiza la eficiencia a nivel atómico.

Con una estructura de espinela mesoporosa, el catalizador pudo presentar una alta carga de Ir (13.8 % en peso) sin formar grandes cúmulos de iridio, lo que permitió la formación de los sitios de enlace Co-Ir. En condiciones ácidas de OER, estos sitios mostraron una alta actividad innata.

Para analizar esto, la investigación combinó datos experimentales con modelado computacional, lo que sugiere que los intermediarios de oxígeno (O*) cubren completamente las superficies de Co₃O₄. Esto generalmente pasiva los sitios de Co, pero el dopaje con Ir los reactiva, mejorando al mismo tiempo la integridad estructural del catalizador.

Este estudio redujo las pérdidas de Ir y Co a aproximadamente un cuarto y un quinto, respectivamente. Además, el catalizador mantuvo su rendimiento durante más de 100 horas.

La arquitectura mesoporosa desempeña un papel crucial. Proporciona espacio para la carga de Ir de un solo átomo y ayuda a crear un entorno estable para la actividad catalítica.

– El profesor Hao Li, líder del estudio

El enfoque del trabajo futuro será ajustar el nivel de dopaje, ampliar su proceso y luego integrarlo en sistemas de electrolizadores comerciales.

Otro estudio sobre un catalizador de iridio económico indicó que, para satisfacer la demanda mundial de hidrógeno para el transporte mediante electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones (PEM-WE), se requieren materiales de ánodo a base de iridio con una concentración inferior a 0.05 mgIr/cm². Sin embargo, los mejores catalizadores disponibles actualmente en el mercado, fabricados con óxido de iridio, contienen unas 40 veces esta cantidad.

Lo bueno es que ya se están desarrollando soluciones para esto. El proyecto Kopernikus P2X del Grupo Heraeus está creando un nuevo y eficiente nanocatalizador basado en iridio, compuesto por una fina capa de óxido de iridio (IrO₂) sobre un soporte de dióxido de titanio (TiO₂) a escala nanométrica.

El catalizador P2X exhibe una estabilidad notable incluso en funcionamiento a largo plazo y tiene un mejor rendimiento que el modelo de referencia más cristalino.

Además de trabajar en diversas técnicas para que la producción de hidrógeno sea rentable, escalable y respetuosa con el medio ambiente, los investigadores de todo el mundo también están explorando formas de almacenarlo de manera eficiente, ayudando a que el hidrógeno limpio logre una adopción en el mundo real.

A principios de este año, un equipo de científicos, con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., demostró una nueva forma de almacenar y liberar hidrógeno volátil. Esto aborda uno de los principales desafíos del uso del hidrógeno como combustible: el alto costo y la ineficiencia del almacenamiento y el transporte debido a su baja densidad y naturaleza explosiva.

Lo que los científicos hicieron aquí fue desarrollar un tipo de combustible para aviones a base de lignina que puede unir químicamente el hidrógeno en un líquido estable. Esta tecnología, según el profesor Bin Yang de la Universidad Estatal de Washington, «podría permitir el almacenamiento eficiente y de alta densidad de hidrógeno en un combustible de aviación sostenible y fácil de manejar, eliminando la necesidad de tanques presurizados para su almacenamiento y transporte».

El nuevo proceso utilizó reacciones químicas que generaron carbonos aromáticos e hidrógeno a partir del combustible experimental para aviones, lignina, desarrollado en laboratorio. Presente en las plantas, la lignina es un polímero natural y el segundo material más abundante en la Tierra.

En los próximos pasos, los investigadores diseñarán un catalizador impulsado por IA para mejorar las reacciones, haciéndolas más eficientes y rentables.

Empresa Innovadora

Cummins Inc (CMI -1.24%)

El proveedor global de soluciones energéticas, Cummins Inc., opera a través de varios segmentos, incluidos Motores, Componentes, Distribución, Sistemas de Energía y Accelera. 

La empresa explora y utiliza ampliamente la tecnología de motores de hidrógeno para contribuir a un futuro sostenible. Cummins ingresó por primera vez a la economía del hidrógeno en 2019 con la adquisición de Hydrogenics, fabricante de celdas de combustible de hidrógeno y electrolizadores. Desde entonces, ha logrado un progreso continuo.

Esto incluye el lanzamiento de motores de combustión interna de hidrógeno de 15 litros y de gas natural de 15 litros. La cartera de Cummins también incluye soluciones de almacenamiento de hidrógeno y el desarrollo de tecnología de pilas de combustible.

Hace un par de años, Accelera también inició operaciones para la producción de electrolizadores en Minnesota, su primer sitio de producción de electrolizadores en Estados Unidos.

“La electrólisis a gran escala para producir hidrógeno verde es una pieza clave en la descarbonización del transporte y la industria”.

– Amy Davis, presidenta de Accelera en ese momento.

Mientras tanto, en marzo de 2025, Cummins se convirtió en miembro fundador de la Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA-NA), una iniciativa formada por expertos del mundo académico, el gobierno y la industria del transporte para promover los motores de combustión interna de hidrógeno (H2-ICE) y su aplicación en motores marinos y vehículos y equipos de carretera y todoterreno.

En cuanto al rendimiento de la compañía en el mercado, las acciones de Cummins han experimentado una fuerte tendencia alcista durante más de dos décadas. Esta trayectoria estuvo marcada por caídas, lo que brindó una buena oportunidad de compra a los inversores. La caída de casi el 16% en las acciones de Cummins en lo que va de año podría interpretarse de la misma manera.

Al momento de escribir este artículo, las acciones de CMI cotizan a $294.16, lo que sitúa la capitalización bursátil de Cummins en $40.38 mil millones. Con esto, presenta un BPA (TTM) de 28.17, un PER (TTM) de 10.41 y un ROE (TTM) del 41.27%. Curiosamente, Cummins también ofrece una rentabilidad por dividendo del 2.48%, lo que la convierte en una oportunidad de inversión potencialmente atractiva. 

En lo que respecta a las finanzas, en 2024, un año que la compañía calificó de “transformador” por lograr “progresos significativos en el avance de nuestra estrategia Destino Cero” y obtener “resultados récord”, los ingresos se mantuvieron estables en $34.1 mil millones.

Esto se debió a un aumento del 1% en las ventas en Norteamérica, a pesar de una disminución en la demanda de camiones pesados, y a una caída del 1% en los ingresos internacionales en comparación con el año anterior. Una razón para esto fue... Tecnologías de filtración Atmus (ATMU -1.36%), que se separó de Cummins (CMI -1.24%) El año pasado se convirtió en una empresa totalmente independiente. Además, Accelera se sometió a una reorganización, lo que generó cargos debido a la decisión de optimizar las operaciones y concentrar las inversiones.

La utilidad neta de Cummins para el año completo de 2024 fue de $3.9 mil millones, o $28.37 por acción diluida, lo que aumentó significativamente debido a la ganancia relacionada con la separación de Atmus.

Para este año, Cummins proyecta una disminución de sus ingresos de entre un 2 % y un 3 % debido a una demanda ligeramente menor prevista en Norteamérica. Aun así, la compañía mantuvo su compromiso con su objetivo estratégico a largo plazo de devolver el 50 % del flujo de caja operativo a los accionistas.

En 2024, Cummins aumentó su dividendo en efectivo sobre acciones ordinarias por decimoquinto año consecutivo, devolviendo $15 millones a los accionistas a través de dividendos.

Otros desarrollos realizados por la compañía el año pasado incluyen la introducción de la plataforma de motor Cummins HELM (mayor eficiencia, menores emisiones y múltiples combustibles) implementada en todas sus carteras de motores de las series B, X10 y X15 y el lanzamiento de un nuevo motor solo para la nueva línea de camiones de servicio mediano del fabricante de automóviles japonés Isuzu.

Además, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses y PACCAR formaron una empresa conjunta, Amplify Cell Technologies, para localizar la producción de celdas de batería y la cadena de suministro de baterías en EE. UU. Amplify ya ha comenzado la construcción de una fábrica de 21 GWh, con el objetivo de iniciar la producción en 2027.

Lo último en Cummins Inc.

Conclusión

Una alternativa prometedora a los combustibles fósiles es el hidrógeno limpio. Este componente crucial de la estrategia global de descarbonización ofrece alta densidad energética, subproductos no contaminantes y versatilidad en diversos sectores, lo que hace crucial el desarrollo de métodos rentables para la producción de hidrógeno.

La electrólisis PEM es un enfoque que puede impulsar la transición energética mundial. En este estudio, investigadores de la Universidad de Tohoku sustituyen los costosos catalizadores de platino por alternativas de metales no preciosos con ingeniería de superficie, lo que marca un paso clave para la viabilidad comercial del hidrógeno limpio.

Sus beneficios en términos de costos, que se acercan al objetivo de costos del Departamento de Energía de EE. UU., y la ampliación del cátodo CoP|F en electrolizadores PEM del mundo real muestran que potencialmente estamos desbloqueando el hidrógeno limpio como una solución de mercado masivo para las necesidades energéticas globales.

Haga clic aquí para saber por qué el hidrógeno puede seguir siendo el combustible del futuro. 

Estudios referenciados:

1. Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z. y Yu, S.-H. (2025). La reconstrucción de superficies activa un cátodo de metal no noble para un electrolizador de agua con membrana de intercambio de protones. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846