Los Catalizadores No Nobles Allanan el Camino para Hidrógeno Asequible

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

Esto se debe a varias razones, incluyendo la abundancia de agua, mayor rendimiento energético, la generación únicamente de agua como subproducto y emisiones mínimas o nulas de gases de efecto invernadero (GEI). Estas cualidades hacen que el hidrógeno limpio sea utilizable en una variedad de aplicaciones como transporte, generación eléctrica, calefacción e industria, incluyendo acero, productos químicos y cemento.

Aunque el hidrógeno muestra un enorme potencial para descarbonizar nuestra sociedad, la mayor parte del H2 producido hoy proviene del propio combustible fósil (metano), lo que genera emisiones sustanciales de CO2. Esto implica la necesidad de alternativas escalables para producir hidrógeno verde y limpio.

Como resultado, la investigación en curso 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 que ha captado una atención significativa 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 usar electricidad para dividir el agua en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2), proporcionando una forma eficiente y limpia de producir combustible de hidrógeno a gran escala.

Gracias a su pequeña pérdida óhmica (que es la energía potencial perdida en forma de calor mientras las cargas eléctricas fluyen a través de un medio), alta densidad de corriente y baja tasa de cruce de gases, extender el proceso HER a escala de laboratorio a un electrolizador de agua de membrana de intercambio protónico (PEM) comercial ofrece una ruta sostenible hacia el hidrógeno verde.

En la electrólisis PEM, el hidrógeno se produce al dividir el agua usando 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 luego se desplazan a través de la membrana, un polímero conductor de protones que separa el ánodo y el cátodo, mientras los electrones circulan por un circuito externo.

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

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

Pero el problema surge con condiciones de trabajo difíciles, como la fuerte interfaz ácido‑reductiva electrolito‑catalizador. Este entorno obliga a los electrolizadores PEM comerciales a utilizar cátodos de platino (Pt), que no es abundante y, por lo tanto, es costoso, para mantener alta actividad. 

Las condiciones adversas hacen que dichos cátodos (basados en metales no preciosos) no sean adecuados para el electrolizador de membrana de intercambio protónico (PEM).

La amplia aplicación real del PEM, que está a escala de teravatios, requiere catalizadores económicos que sustituyan a los metales nobles. Aunque la búsqueda de cátodos basados en metales no preciosos aptos para la comercialización del PEM continúa, sigue siendo un desafío.

Aquí, los fosfuros de metales de transición (TMP) han demostrado ser prometedores como catalizadores HER, pero su uso para reemplazar metales nobles aún está en una fase incipiente. Una razón principal es la falta de comprensión de la tolerancia bajo condiciones de trabajo difíciles, así como el monitoreo de la rotación de sitios activos durante el proceso de generación de hidrógeno.

Estrategia de Reconstrucción de Superficie Produce Combustible de Hidrógeno Asequible

Recientemente, se ha informado que el uso de nanopartículas de CoP como cátodos se integra fácilmente en electrolizadores de agua PEM industriales, mostrando su potencial para aplicaciones comerciales. 

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

Según los hallazgos publicados en Advanced Energy Materials¹ en abril de 2025, un equipo de investigadores de la Universidad de Tohoku ha demostrado el uso ampliado de un cátodo CoP|F (CoP modificado con F) desde escala de laboratorio (0.2 cm²) hasta un electrolizador PEM comercial (38 cm²).

Al buscar un rendimiento HER superior, los investigadores descubrieron que la vía de reconstrucción de superficie puede crear cátodos basados en metales no nobles de larga duración que mejoran el HER.

Estos cátodos pueden mantener su rendimiento durante más de 300 horas. Además, el costo calculado por el equipo se acercó mucho al objetivo de producción de H2 para 2026 establecido por el Departamento de Energía de EE. UU., que es de 2,00 USD por kg de H2.

Para acelerar la reacción HER, que es lenta e ineficiente por naturaleza, el equipo recurrió a los TMP. Los fosfuros de metales de transición son un metal no precioso rentable y duradero. Es un catalizador prometedor con una estructura electrónica única y alta actividad catalítica, lo que mejora la eficiencia del HER.

Con metales nobles típicamente usados para este propósito, los investigadores creen que existe una brecha de conocimiento sobre los metales no nobles que debe cerrarse.

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

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

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

La superficie reconstruida muestra alta actividad y tolerancia en la interfaz electrolito‑catalizador ácido‑reductiva. Notablemente, cuando se usa como cátodo en un electrolizador PEM comercial, el rendimiento del cátodo CoP|F) es comparable al del catalizador avanzado Pt/C a un costo de solo 2,17 USD por kg H2‑1.

«Este Co reconstruido es altamente activo, funciona en condiciones ácidas y puede mantener aproximadamente 76 W durante más de 300 horas», dijo Heng Liu, profesor asistente del Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). «Nos estamos acercando a un método asequible para producir combustible», añadió, señalando que el costo es apenas 17 centavos por encima del objetivo de producción actual establecido para 2026.

Con estos resultados impresionantes, los investigadores esperan ofrecer una vía de reconstrucción de superficie para cátodos basados en metales no nobles altamente eficientes, rentables y duraderos para electrolizadores PEM comerciales. 

Más importante aún, el montaje no solo se probó a escala de laboratorio con tres electrodos, sino que se extendió realmente a una escala comercial. Y con este diseño racional para cátodos totalmente nuevos, que podrían servir como base para otros cátodos basados en metales no nobles, el estudio potencialmente cierra la brecha del laboratorio a la fábrica.

«Siempre estamos pensando en el objetivo final, que es que la investigación llegue a la vida cotidiana. Este avance nos acerca un paso más a diseñar opciones más realistas para aplicaciones PEM comerciales.»

– Liu

Avances en la Producción de Hidrógeno Limpio

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

La electrólisis del agua puede dividirse en dos reacciones: la reacción de evolución de hidrógeno (HER), donde el agua se reduce en el cátodo para producir hidrógeno, y la reacción de evolución de oxígeno (OER), donde el agua se oxida en el ánodo para producir O2. En ambos casos, la catálisis juega un papel fundamental, creando la necesidad de catalizadores altamente eficaces para producir H2 y O2 de manera eficiente.

Este mes, en otra investigación del AIMR, Universidad de Tohoku, los investigadores propusieron un nuevo marco de catalizador, ofreciendo un enfoque potencial para la producción económica de hidrógeno mediante electrólisis del agua. Sin embargo, el enfoque aquí estuvo en la OER.

El material se centra en Co3O4 (óxido de cobalto(II, III)) monocristalino mesoporoso (materiales porosos con diámetros de poro de 2‑50 nm) dopado con iridio (Ir) disperso atómicamente, diseñado para la OER ácida.

Aunque conocido por su rendimiento en OER, el Ir es escaso y costoso. Además, usar iridio de manera eficiente manteniendo la estabilidad representa un desafío en la escalabilidad de la tecnología. Por lo tanto, el estudio presenta una solución mediante un material que maximiza la eficiencia a nivel atómico.

Con una estructura espinela mesoporosa, el catalizador pudo tener una alta carga de Ir (13,8 % en peso) sin formar grandes cúmulos de iridio, lo que permite la formación de sitios puente Co‑Ir. Bajo condiciones ácidas de OER, estos sitios demostraron una alta actividad innata.

Para analizar esto, la investigación combinó datos experimentales con modelado computacional, lo que sugiere que los intermedios de oxígeno (O*) cubren completamente las superficies de Co3O4. Esto generalmente pasiva los sitios de Co, pero el dopado con Ir reactiva los sitios mientras mejora simultáneamente la integridad estructural del catalizador.

Este estudio redujo las pérdidas de Ir y Co a aproximadamente una cuarta parte y una quinta parte, respectivamente. Además, el catalizador mantuvo su rendimiento durante más de 100 horas.

«La arquitectura mesoporosa juega 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.»

– Profesor Hao Li, líder del estudio

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

Otro estudio que investiga un catalizador de iridio económico señaló que el análisis muestra que para satisfacer la demanda mundial de hidrógeno para el transporte mediante electrólisis de agua de membrana de intercambio protónico (PEM‑WE) se requieren materiales de ánodo basados en iridio inferiores a 0,05 mg Ir/cm². Sin embargo, los mejores catalizadores disponibles actualmente en el mercado, hechos de óxido de iridio, contienen aproximadamente 40 veces esa cantidad.

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

El catalizador P2X muestra una estabilidad notable incluso en operaciones a largo plazo y supera al referente más cristalino.

Además de trabajar en diversas técnicas para hacer la producción de hidrógeno rentable, escalable y respetuosa con el medio ambiente, investigadores de todo el mundo también están explorando formas de almacenarlo eficientemente, ayudando a que el hidrógeno limpio logre una adopción 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 de usar hidrógeno como fuente de combustible: el alto costo e ineficiencia del almacenamiento y transporte debido a su baja densidad y naturaleza explosiva.

Lo que los científicos hicieron aquí fue desarrollar un tipo de combustible de aviación a base de lignina que puede unir químicamente hidrógeno en forma líquida estable. Esta tecnología, según el profesor Bin Yang de la Washington State University, “podría permitir un almacenamiento de hidrógeno eficiente y de alta densidad en un combustible de aviación sostenible y fácil de manejar, eliminando la necesidad de tanques presurizados para el almacenamiento y transporte.”

El nuevo proceso utilizó reacciones químicas que generaron carbonos aromáticos e hidrógeno a partir del combustible de aviación experimental de lignina desarrollado en laboratorio. La lignina, presente en las plantas, 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 )

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

La empresa está explorando y utilizando extensamente la tecnología de motores de hidrógeno para ayudar a construir un futuro sostenible. Cummins ingresó por primera vez a la economía del hidrógeno en 2019 con la adquisición de Hydrogenics, un fabricante de pilas de combustible e electrolizadores de hidrógeno. Desde entonces, ha avanzado de manera continua.

Esto incluye el lanzamiento de motores de combustión interna de hidrógeno de 15 L y motores de gas natural de 15 L. El portafolio 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 primera planta de producción de electrolizadores en EE. UU.

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

– Presidenta de Accelera, Amy Davis, en ese momento.

En marzo de 2025, mientras tanto, Cummins se convirtió en miembro fundador de la Alianza de Motores de Hidrógeno de Norteamérica (H2EA‑NA), una iniciativa formada por expertos de la academia, 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 on‑road y off‑road.

En cuanto al desempeño del mercado de la empresa, las acciones de Cummins han experimentado una fuerte tendencia alcista durante más de dos décadas. Este recorrido estuvo marcado por caídas en el camino, ofreciendo una buena oportunidad para que los inversores compren. La caída de casi el 16 % en las acciones de Cummins hasta ahora este año podría interpretarse de la misma manera.

Al momento de escribir, las acciones de CMI cotizan a 294,16 USD, lo que sitúa la capitalización de mercado de Cummins en 40,38 mil millones de dólares. Con ello, tiene un BPA (TTM) de 28,17, una relación P/E (TTM) de 10,41 y un ROE (TTM) de 41,27 %. Curiosamente, Cummins también ofrece un rendimiento de dividendo del 2,48 %, lo que la convierte en una oportunidad de inversión potencialmente atractiva.

En cuanto a finanzas, en 2024, un año que la empresa calificó como “transformador” por lograr “un progreso significativo en avanzar nuestra estrategia Destination Zero” y entregar “resultados récord”, los ingresos se mantuvieron estables en 34,1 mil millones de dólares.

Esto fue el resultado de que las ventas en Norteamérica aumentaran un 1 % a pesar de registrar una disminución en la demanda de camiones pesados, y los ingresos internacionales cayeran un 1 % respecto al año anterior. Una razón de esto fue Atmus Filtration Technologies (ATMU ), que se separó de Cummins (CMI ) el año pasado para convertirse en una empresa totalmente independiente. Además, Accelera pasó por una reorganización, lo que resultó en cargos debido a la decisión de optimizar operaciones y enfocar inversiones.

El ingreso neto de Cummins para el año completo 2024 fue de 3,9 mil millones de dólares, o 28,37 USD por acción diluida, lo que aumentó significativamente debido a la ganancia relacionada con la separación de Atmus.

Para este año, Cummins proyecta que sus ingresos estén en un rango de disminución del 2 % al aumento del 3 % debido a una demanda “ligeramente más débil” anticipada en Norteamérica. Aún así, la empresa compartió su compromiso con el objetivo estratégico a largo plazo de devolver el 50 % del flujo de efectivo operativo a los accionistas.

En 2024, Cummins aumentó realmente su dividendo en efectivo de acciones comunes por 15.º año consecutivo, devolviendo 969 millones de dólares a los accionistas mediante dividendos.

Otros desarrollos realizados por la empresa el año pasado incluyen la introducción de la plataforma de motor Cummins HELM (Mayor Eficiencia, Menores Emisiones y Múltiples Combustibles) implementada en sus carteras de motores de series B, X10 y X15, y el lanzamiento de un nuevo motor exclusivamente para la nueva línea de camiones de peso medio del fabricante japonés Isuzu.

Además, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses y PACCAR (PCAR ) formaron una empresa conjunta llamada 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.

Últimas Noticias sobre Cummins Inc.

Conclusión

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

La electrólisis PEM es uno de esos enfoques que puede ayudar a impulsar los esfuerzos de transición energética mundial. Aquí, los investigadores de la Universidad de Tohoku sustituyen los costosos catalizadores de platino por alternativas de metales no preciosos diseñadas en la superficie, marcando un paso clave para hacer que el hidrógeno limpio sea comercialmente viable.

Sus beneficios de costo, cercanos al objetivo de costo del DOE de EE. UU., y la ampliación del cátodo CoP|F en electrolizadores PEM del mundo real demuestran que potencialmente estamos desbloqueando el hidrógeno limpio como una solución de mercado masivo para las necesidades energéticas globales!

Haga clic aquí para aprender por qué el hidrógeno aún puede ser 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., & Yu, S.-H. (2025). Surface reconstruction activates non-noble metal cathode for proton exchange membrane water electrolyzer. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846