Los catalizadores de hierro hacen prácticas las pilas de hidrógeno

Pilas de combustible de hidrógeno: Catalizadores de hierro como alternativa al platino

El hidrógeno podría ser, en teoría, el combustible perfecto para un futuro ecológico: Puede producirse a partir de electricidad renovable, no produce ningún contaminante cuando se consume y sólo requiere agua como material para su producción.

Sin embargo, producir hidrógeno a un coste suficientemente bajo ha sido todo un reto. Los sistemas alternativos, como coproducción de agua dulce al mismo tiempo, nuevos catalizadores de hidrógeno que no requieren metales preciososo fotocatálisisse están estudiando.

Otro paso que reduce la viabilidad comercial del hidrógeno está en la fase de consumo. Cuando no se utiliza en un motor de combustión (similar a un motor de combustible, con menor eficiencia), se emplean pilas de combustible, que suelen requerir un costoso platino como catalizador.

Esto no sólo encarece las pilas de combustible, sino que también podría obstaculizar la adopción masiva del hidrógeno como combustible, ya que el platino y los metales asociados, como el paladio, son muy escasos en la Tierra, lo que dificulta un aumento de su producción.

Por suerte, están llegando alternativas, gracias al trabajo de científicos chinos de muchas de las principales instituciones de investigación del país: la Academia China de Ciencias, la Universidad de Shenzhen (China), la Universidad del Sureste (China), la Universidad Tsinghua, la Universidad de Tecnología Química de Pekín, la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y la Universidad de Xiamen.

Publicaron¹ el descubrimiento de un nuevo catalizador a base de hierro para pilas de combustible en la prestigiosa revista científica Nature, bajo el título "Reducción ácida del oxígeno mediante catalizadores de un átomo de Fe sobre soportes curvos".

Cómo funcionan las pilas de combustible

Las partes de las pilas de combustible que generan electricidad a partir del consumo de hidrógeno son las membranas de intercambio de protones (PEM).

Las pilas de combustible funcionan catalizando la conversión del hidrógeno (H₂) en protones (iones H+) + electrones, creando una corriente eléctrica. Como ya se ha mencionado, este catalizador es tradicionalmente platino, un metal caro.

Fuente: Wikipedia

En su lugar, los científicos chinos han creado un nuevo diseño de catalizador, descrito como "activación interior, protección exterior", que se basa en el hierro simple como catalizador.

Catalizadores de hidrógeno a base de hierro

Retos de los catalizadores de hierro en las pilas de combustible

La idea de utilizar un catalizador de hierro, naturalmente capaz de captar oxígeno (tendencia que conocemos comúnmente como "óxido") y unirlo a los iones de hidrógeno, no es novedosa.

Pero hasta ahora se ha visto obstaculizado por reacciones químicas no deseadas, en particular la fuerte adsorción de intermediarios oxigenados de la reacción y la desmetalización de los átomos de hierro. Así que, o bien los átomos de hierro se quedan "pegados" a compuestos ricos en oxígeno, o bien se vuelven incapaces de funcionar como catalizador.

Para detener estas reacciones no deseadas, los investigadores crearon una nanoestructura única para el catalizador de hierro.

Catalizadores de hierro huecos nanoestructurados

Los catalizadores de hierro tradicionales se basan en una superficie exterior de grafeno o soportes de carbono, lo que limita la cantidad de hierro accesible para las reacciones deseadas con el hidrógeno.

En su lugar, el método utilizado consistió en crear una superficie curva interior con un sitio catalizador de hierro de un solo átomo.

Cada uno de estos sitios se encuentra en una estructura multicapa hueca (HoMS) nanoconfinada. Estas nano HoMS están repartidas y unidas a una capa de carbono 2D, similar al grafeno.

Fuente: Puerta de la Investigación

Las nanopartículas huecas tienen unos 10 nm × 4 nm de tamaño, y constan de múltiples cáscaras en las que los átomos de hierro se concentran en las capas interiores con una alta densidad. La espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón reveló que estos átomos de Fe interiores se encuentran a una velocidad de 57,9% en un estado catalíticamente activo.

Fuente: Puerta de la Investigación

Mayor rendimiento con catalizadores de hierro

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La nanoestructura debilita la fuerza de unión de los intermediarios oxigenados de la reacción, eliminando una importante limitación de los catalizadores basados en hierro.

Fuente: Puerta de la Investigación

También reduce la tasa de producción de radicales hidroxilo (-OH), una molécula muy reactiva y dañina que siempre es un problema potencial en las reacciones oxígeno-hidrógeno.

El resultado final es una pila de combustible que utiliza catalizadores de hierro y que es radicalmente superior a otros diseños, tanto en términos de densidad de potencia máxima como de densidad de corriente (estrellas rojas abajo), con una densidad de potencia récord de 0,75 W cm-2 bajo 1,0 bar de H2-aire.

Fuente: Puerta de la Investigación

Este diseño de catalizador también es mucho más duradero que la iteración anterior de catalizadores basados en hierro, manteniéndose en una eficiencia de 86% tras más de 300 horas de funcionamiento.

Fuente: Puerta de la Investigación

Conclusión

Una economía del hidrógeno sólo será posible cuando se hayan resuelto las consideraciones económicas, con catalizadores fáciles de producir, apoyándose en materiales abundantes y baratos.

En ese contexto, el hierro, al ser uno de los metales más producidos y baratos de la Tierra, sería un candidato ideal.

También significa que la degradación relativamente rápida de la eficiencia con el paso del tiempo (que probablemente aún podría mejorarse con respecto a ese primer diseño experimental) sería un problema menor, y la parte catalizadora de la pila de combustible podría simplemente cambiarse por una nueva con regularidad, y la usada reciclarse o regenerarse para recuperar su rendimiento original.

Invertir en tecnología de pilas de combustible

Plug Power Inc.

Plug Power es líder en hidrógeno verde, con especial atención a las pilas de combustible. La empresa cuenta con más de 72 000 pilas de combustible instaladas en más de 300 ubicaciones, con una gran presencia en flotas de manipulación de materiales. En concreto, sus pilas de combustible alimentan más de 40 000 carretillas elevadoras y sus ingresos han aumentado x8 desde 2013.

También se dedica a la construcción de infraestructuras de hidrógeno, como la producción de hidrógeno, la logística, la generación de energía a escala comercial y las entregas.

Fuente: Enchufe

La empresa aspira a reducir los costes de producción de hidrógeno de $10/kg a $4/kg, multiplicando la producción por 14 en 2027. También debería sustituir todo el hidrógeno de origen externo, que a menudo se revendía a los clientes con pérdidas.

Debido a las enormes inversiones para multiplicar por 19 la capacidad de producción desde 2020, la empresa aún no es rentable, pero los avances en el abastecimiento de su propio hidrógeno deberían cambiar esa situación.

La empresa ve sus soluciones como un combustible directo para la movilidad o como un complemento de los vehículos eléctricos, ya que el hidrógeno permite reducir la presión sobre la red durante la hora punta de carga de los vehículos, que no coincide con los periodos de producción de renovables durante el día.

Fuente: Enchufe

Como gran productor de pilas de combustible, Plug Power se beneficiaría enormemente de un cambio hacia una economía basada en el hidrógeno. Un catalizador de pila de combustible más barato podría integrarse en sus diseños e impulsar el ritmo de adopción de los vehículos de hidrógeno y el almacenamiento de energía a escala de red.

Esto convierte a Plug Power en un buen valor para apostar por un giro hacia el hidrógeno en general, con un crecimiento de la demanda de sus pilas de combustible cada vez que se invente un método más barato de producir, almacenar, transportar o utilizar hidrógeno.

Últimas noticias y avances sobre Plug Power Inc (PLUG)

Estudio de referencia

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Reducción ácida del oxígeno mediante catalizadores de un átomo de Fe sobre soportes curvos. Nature 644, 668-675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}