Los catalizadores de hierro hacen prácticas las pilas de combustible de hidrógeno

Hydrogen Fuel Cells: Iron Catalysts as a Platinum Alternative

El hidrógeno podría, en teoría, ser el combustible perfecto para un futuro verde: puede producirse a partir de electricidad renovable, no genera contaminantes al consumirse y solo requiere agua como materia prima para su producción.

Sin embargo, producir hidrógeno a un costo lo suficientemente bajo ha sido un desafío. Se están explorando sistemas alternativos, como co‑producción de agua dulce al mismo tiempo, nuevos catalizadores de hidrógeno que no requieren metales preciosos, o fotocatálisis, están siendo explorados.

Otro factor que reduce la viabilidad comercial del hidrógeno está en la etapa 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 normalmente requieren platino costoso como catalizador.

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

Afortunadamente, están surgiendo alternativas, gracias al trabajo de científicos chinos en 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 de Tsinghua, la Universidad de Tecnología Química de Beijing, la City University of 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 de oxígeno ácida por catalizadores de Fe de átomo único en soportes curvos”.

How Fuel Cells Work

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

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

Fuente: Wikipedia

En cambio, los científicos chinos han creado un nuevo diseño de catalizador, descrito como “activación interna, protección externa”, que se basa en hierro simple como catalizador.

Iron-Based Hydrogen Catalysts

Challenges of Iron Catalysts in Fuel Cells

La idea de usar un catalizador de hierro, naturalmente capaz de capturar oxígeno (una tendencia que comúnmente conocemos como “óxido”), y de enlazarlo a los iones de hidrógeno, no es novedosa.

Pero hasta ahora, ha sido obstaculizada por reacciones químicas no deseadas, notablemente la fuerte adsorción de intermedios de reacción oxigenados, y la desmetalización de los átomos de hierro. Así, los átomos de hierro quedan “atrapados” con compuestos ricos en oxígeno, o dejan de poder funcionar como catalizador.

Para detener estas reacciones indeseadas, los investigadores crearon una nanostructura única para el catalizador de hierro.

Nanostructured Hollow Iron Catalysts

Los catalizadores de hierro tradicionales dependen de una superficie externa de grafeno o soportes de carbono, limitando la cantidad de hierro accesible para las reacciones deseadas con hidrógeno.

En cambio, el método utilizado consistió en crear una superficie interior curvada con un sitio de catalizador de hierro de átomo único.

Cada uno de estos sitios se encuentra en una estructura hueca multishell nanoconfinada (HoMS). Estos nano HoMS están distribuidos y unidos a una capa de carbono 2D, similar al grafeno.

Fuente: Research Gate

Las partículas huecas nano miden aproximadamente 10 nm × 4 nm, y consisten en múltiples capas donde los átomos de hierro se concentran en las capas internas a alta densidad. La espectroscopía de absorción de rayos X de sincrotrón reveló que estos átomos de Fe internos están en un 57,9 % en un estado catalíticamente activo.

Fuente: Research Gate

Performance Gains With Iron Catalysts

Desliza para desplazarte →

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

Fuente: Research Gate

También reduce la tasa de producción del radical hidroxilo (•OH), una molécula muy reactiva y dañina que siempre representa un problema potencial en 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 densidad de potencia pico como en densidad de corriente (estrellas rojas abajo), con una densidad de potencia récord de 0.75 W cm⁻² bajo 1,0 bar H₂‑aire.

Fuente: Research Gate

Este diseño de catalizador también es mucho más duradero que la iteración anterior de catalizadores basados en hierro, manteniendo una eficiencia del 86 % después de más de 300 horas de operación.

Fuente: Research Gate

Conclusion

Una economía del hidrógeno solo será posible cuando se resuelvan las consideraciones económicas, con catalizadores fáciles de producir, basados en materiales abundantes y económicos.

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

También significa que la degradación relativamente rápida de la eficiencia con el tiempo (que probablemente aún pueda mejorarse respecto a ese primer diseño experimental) sería menos problemática, y la parte del catalizador de la pila de combustible podría simplemente reemplazarse por una nueva de forma regular, reciclando o regenerando la usada a su rendimiento original.

Investing in Fuel Cell Technology

Plug Power (PLUG ) es un líder en hidrógeno verde, con un enfoque en pilas de combustible. La empresa reporta más de 72 000 pilas de combustible instaladas en más de 300 ubicaciones, con una gran presencia en flotas de manejo de materiales. En particular, sus pilas de combustible alimentan a más de 40 000 montacargas y, con ingresos aumentados 8 veces desde 2013.

También está activa en la construcción de infraestructura de hidrógeno, como producción de hidrógeno, logística, generación de energía a escala de servicios públicos y entregas.

Fuente: Plug Power

La empresa apunta a escalar para reducir los costos de producción de hidrógeno de $10/kg a $4/kg, mientras multiplica la producción 14 veces en 2027. También debería reemplazar todo el hidrógeno de origen externo, que a menudo se revendía a los clientes con pérdidas.

Debido a las enormes inversiones para aumentar la capacidad de producción 19 veces desde 2020, la empresa aún no es rentable, pero el progreso en la obtención de su propio hidrógeno debería cambiar eso.

La empresa ve sus soluciones como un combustible de movilidad directa o como complemento a los vehículos eléctricos, ya que el hidrógeno permite reducir la presión sobre la red durante los picos de carga de los EV, que no coinciden con los periodos de producción de energías renovables durante el día.

Fuente: Plug Power

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

Por lo tanto, esto convierte a Plug Power en una buena acción para apostar por una transición general hacia el hidrógeno, con un crecimiento en la demanda de sus pilas de combustible cada vez que se inventa un método más barato para producir, almacenar, transportar o utilizar hidrógeno.

Latest Plug Power Inc (PLUG) Stock News and Developments

Study Referenced

^{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 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}