Desbloqueando la Producción Eficiente de Hidrógeno para la Energía Limpia

El crecimiento continuo de la población y la economía mundial ha llevado a un aumento significativo de la demanda de energía, de la cual aproximadamente el 80% se satisface con combustibles fósiles. Estos recursos no solo están disminuyendo drásticamente, sino que también son responsables de un considerable aumento de los gases de efecto invernadero (GEI) en el medio ambiente.

Como resultado, ahora hay un enfoque creciente en fuentes de energía renovables, como el sol, viento, agua, materia orgánica y el calor de la Tierra.

Derivadas de recursos naturales que se reponen por sí mismos, las fuentes de energía renovable son importantes para sistemas energéticos limpios y sostenibles. Sin embargo, enfrentan numerosos desafíos, incluyendo disponibilidad irregular, altos costos iniciales, limitaciones geográficas y extensos requisitos de espacio.

Esto es donde el hidrógeno entra en escena. La demanda global de hidrógeno aumentó a 97 millones de toneladas (Mt) en 2023, un 2,5% más que el año anterior. 

El Papel del Hidrógeno en la Transición hacia la Energía Limpia

El elemento más ligero del universo, hidrógeno, ha surgido como una solución prometedora para lograr un ecosistema energético más sostenible debido a su flexibilidad y su capacidad de almacenar una cantidad significativa de energía en relación con su peso.

No es una fuente primaria como el sol, sino una secundaria, ya que debe ser producida a partir de otras materias primas como agua, gas natural o biomasa.

Cuando se produce utilizando combustibles fósiles como el gas natural (que es el método más común actualmente), el hidrógeno no es energía limpia, ya que representa emisiones anuales significativas de CO2.

Sin embargo, cuando se utiliza en una pila de combustible, el hidrógeno produce solo vapor de agua como subproducto, lo que lo convierte en un combustible limpio.

Como portador de energía versátil, el hidrógeno puede ayudar a abordar varios desafíos energéticos críticos. Puede apoyar la integración de energías renovables en el sistema eléctrico almacenando energía durante semanas o incluso meses.

El hidrógeno de bajas emisiones producido con energía nuclear o renovable, o con combustibles fósiles usando captura de carbono, por su parte, puede ayudar a descarbonizar una variedad de sectores. La industria pesada y el transporte de larga distancia, donde reducir emisiones es particularmente desafiante, pueden beneficiarse enormemente. Esta producción de hidrógeno, sin embargo, todavía juega un papel marginal, con menos del 1% en 2023.

El hidrógeno puede derivarse de diferentes tecnologías. Uno de los métodos más eficientes para producir hidrógeno sostenible es a través de la electrólisis del agua. En esta electrólisis intensiva en energía, la electricidad se utiliza para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. La tecnología está bien desarrollada y disponible comercialmente, aunque su eficiencia energética estimada es de alrededor del 52%.

Otro enfoque es la plasmólisis, que ha demostrado el rendimiento energético paralelo a la electrólisis, con la ventaja adicional de un consumo de energía reducido, menor costo principal y equipos más pequeños. Los avances recientes en microfluídica y microplasma han hecho que la producción de hidrógeno mediante plasmólisis de vapor de agua sea rentable en términos de eficiencia energética.

Otras formas de obtener hidrógeno para la generación eléctrica incluyen la fotocatálisis, el biohidrógeno y los procesos termoquímicos.

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Aunque la tecnología del hidrógeno es prometedora, su uso generalizado todavía enfrenta dificultades en términos de costo de producción, eficiencia y sostenibilidad ambiental global. Dada la necesidad de fuentes de energía más limpias, sin embargo, los investigadores de todo el mundo están constantemente buscando resolver estos problemas con nuevos materiales y mejor tecnología.

Innovaciones en Catalizadores que Impulsan la Eficiencia del Hidrógeno

A medida que las tecnologías de hidrógeno avanzan del concepto a la comercialización, uno de los desafíos clave está en los materiales que hacen que estos sistemas sean eficientes y escalables. Para abordar esto, los científicos están trabajando en varios enfoques.

Por ejemplo, un estudio de la sede de la Academia China de Ciencias, publicado¹ este mes en Nature, introdujo un pequeño catalizador de hierro como alternativa al platino en pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC), con el potencial de transformar el futuro de la energía limpia.

Las PEMFC son dispositivos de energía limpia que generan electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno, siendo el agua el único subproducto. Pero dependen en gran medida del escaso y costoso platino como catalizador. Por lo tanto, para ayudar a su adopción generalizada, los investigadores han desarrollado un catalizador de hierro de alto rendimiento para estas pilas de combustible.

Con su ingenioso diseño de “activación interna, protección externa”, el nuevo catalizador puede lograr un rendimiento excelente mientras reduce los subproductos nocivos.

Aunque los catalizadores Fe/N–C están entre las alternativas más prometedoras a los catalizadores de metales del grupo del platino, su actividad y durabilidad no pueden cumplir con los criterios de rendimiento. Por lo tanto, el equipo diseñó y desarrolló un nuevo tipo de catalizador Fe/N–C hecho de numerosas nano protuberancias distribuidas en capas de carbono 2D con sitios de átomos de Fe únicos incrustados dentro de la superficie curva interna de las nano protuberancias.

Como resultado, el nuevo catalizador pudo ofrecer “uno de los mejores rendimientos” de PEMFC sin metales del grupo del platino, manteniendo un 86% de retención de actividad incluso después de más de 300 horas de operación continua.

Otra tecnología clave para producir hidrógeno de manera climáticamente neutra mediante electrólisis del agua es la electrólisis de membrana de intercambio protónico (PEM-WE).

Para acelerar la reacción deseada, los electrodos se recubren con electrocatalizadores especiales. Para el ánodo, se utilizan comúnmente catalizadores a base de iridio, especialmente para la reacción de evolución de oxígeno ácida (OER).

La OER es el paso de producción de oxígeno del proceso de división del agua que genera energía de hidrógeno limpia, pero sigue siendo desafiante e ineficiente. Esta reacción es más eficaz cuando se emplean catalizadores a base de iridio.

Descubierto en 1803, el iridio no se encuentra en forma pura en la naturaleza, pero se recupera comercialmente como subproducto de la producción de platino, paladio, níquel o cobre.

El iridio es un metal denso y duro que no se ve afectado por el aire, el agua y los ácidos. Debido a estas propiedades, se utiliza en bujías, equipos científicos, catalizadores, tintas conductoras para electrónica y tratamientos contra el cáncer.

El metal rara vez se usa en forma pura debido a dificultades en su preparación y fabricación; más bien, se utiliza en forma de aleaciones de platino.

El iridio (Ir), sin embargo, es un metal de alto valor y uno de los elementos más raros que se encuentran de forma natural en la corteza terrestre. Los minerales que contienen iridio se encuentran en Sudáfrica, Estados Unidos (Alaska), Brasil, Rusia, Myanmar y Australia.

Su escasez, combinada con su alta demanda por parte de industrias como la electrónica, lo hace muy caro. El iridio es en realidad más valioso que el oro, costando casi 5.000 dólares por onza.

Así que, tiene sentido que los científicos estén constantemente buscando nuevos metales para reemplazar al Iridio con el fin de ayudar a la adopción a gran escala de los PEMWEs. El descubrimiento de alternativas sin Ir, sin embargo, no es sencillo y avanza lentamente debido al amplio espacio de diseño involucrado.

Hace unos meses, un estudio² del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (AIMR) de la Universidad de Tohoku detalló un nuevo catalizador de cristal poroso como una solución eficiente y duradera para la producción limpia de hidrógeno mediante electrólisis del agua. 

El material en este estudio es Co3O4 mesoporoso monocristalino dopado con iridio disperso atómicamente para la OER ácida.

La estructura espinela mesoporosa juega un papel clave, ya que permite una alta carga de Ir (13,8% en peso) sin la formación de grandes conglomerados de iridio. Además de proporcionar espacio para la carga de Ir, la arquitectura también ayuda a crear un entorno estable.

El catalizador mantuvo su rendimiento durante más de 100 horas con solo 248 mV de sobrepotencial (η₁₀).

En otro estudio reciente, los investigadores han creado una “megalibrary” para explorar la actividad catalítica de millones de nanostructuras distintas compuestas por algunos metales clave, ayudando a buscar alternativas a los catalizadores de Ir para la OER a escala y velocidad.

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Descubrimiento Rápido de Catalizadores con Nanotecnología

El último estudio³ ha encontrado en realidad un nuevo catalizador para la producción de combustible de hidrógeno que es tanto rentable como eficiente en energía.

Publicado este mes en la Journal of the American Chemical Society (JACS), el descubrimiento del catalizador se realizó utilizando una nueva megalibrary de nanopartículas, y coincide o supera el rendimiento del iridio en la producción de combustible de hidrógeno, a una fracción del costo.

Durante mucho tiempo ahora, los investigadores han estado buscando alternativas al iridio. Pero lo que tomó décadas se descubrió ahora en una sola tarde usando la poderosa nueva herramienta desarrollada por científicos de la Universidad Northwestern.

Esta herramienta recién inventada se llama megalibrary, que es la primera “fábrica de datos” de nanomateriales del mundo. Cada una de estas bibliotecas contiene millones de nanopartículas distintas en un pequeño chip.

La tecnología se utilizó, en colaboración con investigadores del Toyota Research Institute (TRI), para encontrar catalizadores comercialmente relevantes para la producción de hidrógeno. El material se escaló posteriormente, y se demostró que funciona dentro de un dispositivo. Todo esto se realizó en tiempo récord.

Para descubrir nuevos catalizadores, los investigadores usaron cuatro metales económicos, abundantes, que son todos conocidos por su rendimiento catalítico. Estos metales son:

1. Cobalt (CO)
2. Chromium (CR)
3. Manganese (MN)
4. Ruthenium (Ru)

Luego, la megalibrary se utilizó para examinar rápidamente vastas combinaciones de estos metales y encontrar un material novedoso cuyo rendimiento pueda igualar al del iridio.

El equipo encontró un material nuevo que era comparable a los materiales comerciales basados en iridio en rendimiento de laboratorio. En algunos casos, el rendimiento incluso los superó a una fracción del costo.

Este descubrimiento podría potencialmente hacer que el hidrógeno verde sea asequible.

Además, el material novedoso demuestra la efectividad del enfoque de megalibrary, lo que puede cambiar la forma en que los investigadores descubren nuevos materiales para diversas aplicaciones.

Según el autor principal del estudio, Chad A. Mirkin, quien es el inventor principal de la plataforma megalibrary y quien introdujo las megalibraries hace aproximadamente una década en 2016:

“Hemos desatado, probablemente, la herramienta de síntesis más poderosa del mundo, que permite buscar entre la enorme cantidad de combinaciones disponibles para químicos y científicos de materiales para encontrar los materiales que importan.”

En el proyecto megalibrary, el equipo “dirigió esa capacidad hacia un problema importante que enfrenta el sector energético.” El problema, como señaló el pionero de la nanotecnología Mirkin, era:

“¿Cómo encontramos un material que sea tan bueno como el iridio pero más abundante, más disponible y mucho más barato? Esta nueva herramienta nos permitió encontrar una alternativa prometedora y encontrarla rápidamente.”

Mirkin es profesor de química en el Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern y profesor de ingeniería química y biológica, ingeniería biomédica, y ciencia e ingeniería de materiales en la McCormick School of Engineering.

El hidrógeno verde es una necesidad crítica del mundo, pero está limitado por su dependencia de uno de los materiales más raros para funcionar.

“No hay suficiente iridio en el mundo para satisfacer todas nuestras necesidades proyectadas.”

– Ted Sargent, profesor de química en Weinberg y profesor de ingeniería eléctrica y de computación en McCormick

Sargent y Mirkin trabajaron juntos en el proyecto.

“Al pensar en dividir el agua para generar formas alternativas de energía, no hay suficiente iridio desde una perspectiva puramente de suministro.”

– Sargent

Descubrir nuevos candidatos para reemplazar este metal fue la aplicación perfecta para la nueva herramienta, que puede revolucionar el lento y arduo proceso tradicional de descubrimiento de materiales. A diferencia del método tradicional de prueba y error, las nuevas megalibraries permiten la identificación rápida de composiciones óptimas.

Cada megalibrary se ha creado con un conjunto de cientos de miles de pequeñas puntas en forma de pirámide para imprimir puntos individuales en una superficie. Cada punto aquí presenta una mezcla cuidadosamente diseñada de sales metálicas que, al calentarse, se reducen para formar nanopartículas únicas, cada una con un tamaño y composición precisos.

Según Mirkin:

“Puedes pensar en cada punta como una pequeña persona en un pequeño laboratorio. En lugar de que una pequeña persona haga una estructura a la vez, tienes millones de personas. Así que, básicamente tienes un ejército completo de investigadores desplegados en un chip.”

En total, el chip tenía 156 millones de partículas, cada una formada a partir de diferentes combinaciones de Co, Cr, Mn y Ru. Un escáner robótico analizó entonces simplemente cuán bien pueden realizar una reacción de evolución de oxígeno (OER). 

Esta capacidad de examinar partículas para su rendimiento final representa una gran innovación.

“Por primera vez, no solo pudimos examinar rápidamente los catalizadores, sino que vimos que los mejores funcionaban bien en una configuración a escala.”

– Joseph Montoya, coautor del estudio, científico senior de investigación en TRI

Con base en la evaluación, los investigadores seleccionaron 40 candidatos de mejor rendimiento, que van desde baja hasta alta actividad, para pruebas adicionales en el laboratorio. Los óxidos RuCoMnCr se escalaron a niveles de miligramos antes de estudiar su rendimiento catalítico.

Una composición destacó al final. Esta combinación precisa de los cuatro metales fue: óxido Ru52Co33Mn9Cr6.

Así, el equipo pudo obtener un catalizador multimetálico, que es realmente conocido por ser más activo que sus contrapartes de metal único.

“Nuestro catalizador en realidad tiene una actividad ligeramente mayor que el iridio y una excelente estabilidad,” dijo Mirkin. “Eso es raro porque a menudo el rutenio es menos estable. Pero los otros elementos en la composición estabilizan el rutenio.”

El catalizador generó un voltaje de 1.58 V a 1 A/cm² y 1.77 V a 3 A/cm².

En cuanto al rendimiento a largo plazo, este nuevo catalizador operó durante más de 1,000 horas con alta eficiencia y notable estabilidad en un entorno ácido severo, mientras costaba aproximadamente una dieciséisava parte del iridio.

“Hay mucho trabajo por hacer para que esto sea comercialmente viable, pero es muy emocionante que podamos identificar catalizadores prometedores tan rápidamente, no solo a escala de laboratorio sino también para dispositivos.”

– Montoya

En el proceso de encontrar un nuevo catalizador, el equipo ha creado enormes conjuntos de datos de materiales de alta calidad, lo que puede allanar el camino para que el aprendizaje automático y la IA diseñen la próxima generación de nuevos materiales.

TRI, Northwestern y su spin‑off Mattiq ya han desarrollado un algoritmo para buscar en las megalibraries a velocidades vertiginosas. 

Sin embargo, esto es solo el comienzo. Al igual que con la IA, el enfoque de megalibrary puede escalar más allá del descubrimiento acelerado de catalizadores para la conversión de energía y transformar el descubrimiento de materiales para casi cualquier tecnología, como componentes ópticos avanzados, dispositivos biomédicos, baterías y más.

“Vamos a buscar todo tipo de materiales para baterías, fusión y más,” dijo Mirkin. “El mundo no usa los mejores materiales para sus necesidades. La gente encontró los mejores materiales en un momento dado, dadas las herramientas disponibles. El problema es que ahora tenemos una enorme infraestructura construida alrededor de esos materiales, y estamos atrapados con ellos. Queremos darle la vuelta. Es hora de encontrar realmente los mejores materiales para cada necesidad, sin compromisos.”

Invertir en el Poder del Hidrógeno

Bloom Energy Corp (BE ) se dedica a la generación de energía mediante pilas de combustible estacionarias. Proporciona dos productos comercialmente: el Bloom Electrolyzer para producir hidrógeno y el Bloom Energy Server para generar electricidad.

La compañía está produciendo hidrógeno con el mayor electrolizador del mundo, que está instalado en el Centro de Investigación Ames de la NASA, generando aproximadamente un 25% más de hidrógeno por megavatio que los electrolizadores comerciales como los PEM o alcalinos.

Hasta ahora, Bloom Energy ha desplegado 1,5 GW de energía baja en carbono en más de 1.200 instalaciones a nivel mundial.

Con una capitalización de mercado de 12,38 mil millones de dólares, las acciones de BE cotizan a 53,15 dólares, un 138,36% más en lo que va del año. Recientemente, las acciones superaron los 55 dólares alcanzando máximos nuevos gracias al mayor interés de los hiperescaladores y centros de datos. Además, en julio, la compañía aseguró un acuerdo importante con Oracle (ORCL ) e insinuó más acuerdos similares en el futuro.

Tiene un BPA (TTM) de 0,11 y una relación P/E (TTM) de 495,23.

En cuanto a finanzas, reportó un aumento interanual del 19,5% en ingresos, alcanzando 401,2 millones de dólares para el segundo trimestre que terminó el 30 de junio de 2025. El margen bruto del período fue del 26,7% y el margen bruto no GAAP del 28,2%. La pérdida operativa fue de 3,5 millones de dólares, y el ingreso operativo no GAAP fue de 28,6 millones de dólares.

“A medida que la energía in situ se vuelve cada vez más evidente, dado el rápido crecimiento de la IA, nunca ha habido una mejor demanda del mercado para los productos Bloom. A diferencia de las alternativas, nuestros productos están diseñados específicamente para la revolución digital.”

– Fundador y CEO KR Sridhar

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Conclusión

El elemento más simple y abundante del universo, hidrógeno, promete una vía hacia un futuro más verde. El elemento, después de todo, tiene el potencial de cubrir la intermitencia de las renovables y descarbonizar sectores difíciles de abatir. Pero materializar esa promesa requiere inversión, innovación y colaboración entre industrias.

Los últimos avances en catalizadores y electrólisis pueden ayudar a impulsar la eficiencia de la producción de hidrógeno, acelerando así la transición a una economía energética sostenible.

Referencias:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Reducción de oxígeno ácida por catalizadores de Fe de átomo único en soportes curvos. Nature, 644, 668–675, publicado 13 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6

2. Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Partículas monocrísticas mesoporosas como catalizadores robustos y eficientes de evolución de oxígeno ácida. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, publicado 8 de abril de 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, X-Y., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, P. T., Kulaksizoglu, A., McCormick, C. R., Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, S. B., Montoya, J. H., Wu, G., Sargent, E. H., Mirkin, C. A. Acelerando el ritmo del descubrimiento de catalizadores de reacción de evolución de oxígeno mediante megalibraries. Journal of the American Chemical Society, 147(34), publicado 19 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326