Nuevos Caminos Hacia Una Producción De Hidrógeno Más Eficiente Descubiertos

Encontrar El Catalizador De Hidrógeno Adecuado

El hidrógeno podría, en teoría, ser un combustible perfecto para almacenar energía y alimentar aplicaciones que son difíciles de electrificar. Esto se debe a que presenta algunas características casi ideales:

• El subproducto de su combustión es solo agua
  • Y lo mismo se puede decir cuando se utiliza para producir electricidad en pilas de combustible.
• Puede arder a temperaturas muy altas, lo que lo hace una buena alternativa al gas natural en la metalurgia, procesos químicos, etc.
• Solo requiere agua como recurso para su producción.
• El hidrógeno en sí es no tóxico y no contaminante.

Sin embargo, el surgimiento de una economía basada en el hidrógeno ha sido obstaculizado por la dificultad de producir hidrógeno de manera rentable. Esto se debe al hecho de que la mayoría del hidrógeno verde (producido a partir de energía verde) se produce a través de la electrolisis, un proceso que por ahora se basa principalmente en catalizadores costosos como el platino, el rutenio o el iridio, cada uno de los cuales es un metal raro y costoso.

Por lo tanto, mientras no exista un mejor método de producción de hidrógeno, es poco probable que podamos ver que reemplace a los combustibles fósiles a gran escala.

Afortunadamente, esto está cambiando rápidamente. Anteriormente, cubrimos algunas de estas posibilidades, notablemente convertir desechos plásticos en hidrógeno, utilizando nanovarillas de níquel como un catalizador alternativo, o utilizando metales de desecho de titanio y níquel (virutas) producidos durante la fabricación de piezas metálicas. Algunas nuevas opciones están siendo agregadas por los investigadores.

La primera es la creación de catalizadores auto-optimizantes¹ por investigadores de la Johannes Gutenberg Universitat (Alemania) y la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania), el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania), el Instituto de Tecnología de Harbin (China) y la Universidad de Shandong (China). Fue publicado en Angewandte Chemie bajo el título “Catalizadores electroquímicos auto-optimizantes de óxido de cobalto y tungsteno hacia una evolución de oxígeno mejorada en medios alcalinos.”

La segunda es la invención de un método para convertir lodos de aguas residuales en hidrógeno verde y alimento para animales² por investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur), la Universidad de Monash (Australia) y la Universidad de Hong Kong (China). Fue publicado en Nature Water bajo el título “Electroreformación de lodos de aguas residuales impulsada por energía solar acoplada con canalización biológica para generar alimentos verdes y hidrógeno”.

Reparar Catalizadores De Hidrógeno

Un problema recurrente con todos los catalizadores productores de hidrógeno es que se degradan con el tiempo. Esto puede deberse a un depósito que se forma en los metales reactivos, o la capa de metal en sí misma se degrada lentamente y pierde componentes en cada ciclo de catalización.

Esto es especialmente problemático para catalizadores costosos del grupo de metales del platino, pero también es un problema para otros tipos de catalizadores basados en metales.

Así que es importante que los investigadores alemanes y chinos del primer estudio discutido aquí hayan observado un comportamiento auto-optimizante con sus nuevos catalizadores.

“Lo que es único sobre nuestro catalizador es que en realidad mejora su rendimiento con el tiempo, mientras que los catalizadores convencionales mantienen su rendimiento a una tasa constante o incluso pierden algo de su rendimiento porque no son lo suficientemente duraderos”,

Dr. Dandan Gao – Líder de investigación en la Universidad Johannes Gutenberg Mainz

Catálisis De Cobalto-Tungsteno

Resolviendo El Punto De Estrangulamiento De La Producción De Hidrógeno

Los investigadores se centraron en los llamados óxidos de metales de transición de 3d a 5d, formulados como metales mezclados.

Estos son capaces de realizar una reacción química llamada reacción de evolución de oxígeno (OER), que es la mitad de la reacción que ocurre durante la electrolisis del agua en hidrógeno, en ambos de los diseños de electrolizadores más comunes (electrolizadores AEM y PEM).

Fuente: SpectroInlet

“Hay dos reacciones durante la división del agua. La reacción de evolución de hidrógeno (HER), que produce gas hidrógeno, y la reacción de evolución de oxígeno (OER), que produce oxígeno. La OER representa el cuello de botella para toda la reacción. Es por eso que estamos tan comprometidos con el desarrollo de un catalizador que pueda promover la mitad de la reacción OER.”

Dr. Dandan Gao – Líder de investigación en la Universidad Johannes Gutenberg Mainz

Sin embargo, estos catalizadores potenciales nuevos aún son poco entendidos, con poca comprensión de lo que exactamente sucede a nivel atómico durante la reacción, o incluso de la forma electroquímica que toma el metal.

Esta falta de comprensión es un gran obstáculo para desarrollar una solución comercialmente viable, ya que también limita la capacidad de anclar los catalizadores a un sustrato estable.

Método De Depósito De Un Paso

Los investigadores utilizaron un sustrato de microflor de óxido de cobre (L−CuO) con un diámetro de 3–5 μm, previamente desarrollado en su laboratorio en 2020.

Luego utilizaron un método de depósito químico para crear una capa de aleación de cobalto-tungsteno en la superficie del sustrato de cobre.

Fuente: Angewandte Chemie

Análisis posteriores revelaron las complejas estructuras microscópicas del material, utilizando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopía de infrarrojos de reflexión total atenuada (ATR-FTIR) y medidas de espectroscopía Raman.

También confirmó que el catalizador está muy firmemente unido al sustrato de cobre.

“El desarrollo de enfoques de deposición viables y escalables es de suma importancia tecnológica, económica y ecológica, lo que permite la anclaje estable de pre-catalizadores OER en sustratos seleccionados con alta integridad mecánica”
Angewandte Chemie

Catalizador Auto-Optimizante

A partir de estas observaciones extremadamente detalladas, los científicos descubrieron que los iones de cobalto cambian de la forma Co₂₊ a la Co₃₊. Al mismo tiempo, los iones de tungsteno también se mueven de la forma W₅₊ a la W₆₊.

Como resultado, con el tiempo, la parte electroquímicamente activa del catalizador se transfiere del sitio activo de tungsteno al sitio activo de cobalto.

Fuente: Angewandte Chemie

El catalizador también cambia en términos de hidrofilicidad de la superficie, o su capacidad para atraer agua (el combustible para la generación de hidrógeno): con el tiempo, se vuelve más hidrófilo.

“En general, registramos sobrepotenciales notablemente reducidos y densidades de corriente aumentadas acompañadas de un aumento sustancial en la cinética OER. Todo esto es una noticia positiva para la producción de hidrógeno del futuro.”

Dr. Dandan Gao – Líder de investigación en la Universidad Johannes Gutenberg Mainz

Esto debería ser un paso poderoso hacia hacer que los óxidos de metales de transición sean catalizadores viables para la producción de hidrógeno.

No solo demuestra que el equipo de científicos ha desarrollado un sustrato de cobre viable para el catalizador, sino que también que tales catalizadores pueden ser hiperestables y incluso mejorar con el tiempo.

También proporciona el marco teórico para evaluar el potencial de otras combinaciones de metales de transición que no están tan bien entendidas como la combinación cobalto-tungsteno ahora lo es.

¿No Necesita Catalización?

Lidiar Con Los Lodos De Las Ciudades

Mientras tanto, la producción de hidrógeno también podría comenzar a provenir de las enormes corrientes de desechos que producen nuestras ciudades. Esto es al menos el concepto explorado por investigadores de Singapur, China y Australia.

Se centraron en los lodos de aguas residuales, un subproducto tóxico del tratamiento de aguas residuales. Estos lodos son notoriamente difíciles de procesar y eliminar debido a su estructura compleja, composición y contaminantes como metales pesados y patógenos.

Más de 100 millones de toneladas de lodos de aguas residuales se generan anualmente en todo el mundo. Los métodos de eliminación comunes, como la incineración o los vertederos, son laboriosos, ineficientes en términos de energía y contribuyen a la contaminación del medio ambiente.

En cambio, podrían convertirse en una fuente de alimento para animales e hidrógeno al mismo tiempo.

Convirtiendo Lodos En Recursos

Los investigadores desarrollaron un proceso de 3 pasos para tratar los lodos.

Primero, rompen mecánicamente los lodos en un líquido. Luego eliminan los metales pesados del material orgánico a través de un tratamiento químico.

A continuación, utilizan un proceso electroquímico para transformar los materiales orgánicos en productos valiosos: ácido acético y gas hidrógeno, utilizando electrodos especializados.

Finalmente, alimentan una cultura de bacterias capaces de aprovechar la luz (cianobacterias) para convertir el contenido orgánico restante en proteínas unicelulares adecuadas para alimento para animales.

Tanto el segundo como el tercer paso están impulsados directamente (en el caso de las bacterias) o indirectamente con paneles solares (en el caso del tratamiento electroquímico) por la luz del sol.

Esto hace que todo el proceso de reciclaje de lodos sea completamente libre de carbono y, de hecho, es carbono negativo, ya que evita las emisiones de carbono del procesamiento normal de los lodos y reemplaza otras fuentes de combustibles fósiles para ácido acético, hidrógeno y alimento para animales.

El hidrógeno se puede utilizar como fuente de energía limpia, y el ácido acético es un ingrediente clave para la industria alimentaria y farmacéutica.

Fuente: Nature Water

Alta Eficiencia

Este método ha demostrado recuperar el 91,4% del carbono orgánico en los lodos de aguas residuales y convertir el 63% del carbono orgánico en proteínas unicelulares.

Esto es mucho más alto que la digestión anaeróbica tradicional, que generalmente recupera y convierte alrededor del 50% de los materiales orgánicos en los lodos de aguas residuales.

En general, esto reduce las emisiones de carbono en un 99,5% y el uso de energía en un 99,3% en comparación con los métodos tradicionales.

“Esperamos que nuestro método propuesto muestre la viabilidad de gestionar los residuos de manera sostenible y cambie la forma en que se percibe el lodo de aguas residuales: de residuo a un recurso valioso que apoya la producción de energía limpia y alimentos sostenibles.”

Dr. Zhao Hu, investigador en la Universidad Tecnológica de Nanyang

Además de esta alta eficiencia, también purifica los lodos de metales pesados, que tienden a contaminar los vertederos en los métodos habituales para lidiar con ellos.

Este nuevo método indica que una revolución en la forma en que se lidia con las aguas residuales en el mundo es posible, eliminando metales pesados (quizás para reciclarlos más adelante) y produciendo ácido acético, hidrógeno y alimento para animales útiles al mismo tiempo.

Conclusión

Una economía de hidrógeno probablemente será una con una compleja red de diversas fuentes de hidrógeno.

Es probable que una de ellas sea catalizadores avanzados que realicen la electrolisis del agua en hidrógeno, sin requerir metales raros y costosos. Esto haría que el costo del hidrógeno sea lo suficientemente bajo como para hacer que sea un competidor económico viable para los combustibles fósiles y otras alternativas verdes.

Otra fuente probable es utilizar mejor las enormes cantidades de toneladas de desechos producidos por la agricultura, las aguas residuales y otras actividades humanas. Como estos necesitan procesarse de todos modos, es mucho mejor que comencemos a procesarlos de una manera que los contaminantes (como los metales pesados) se eliminen y se creen nuevos productos útiles.

Y si esto se hace siendo impulsado únicamente por la energía solar, mejor.

Compañía De Catálisis De Tungsteno

El tungsteno está emergiendo progresivamente como no solo un metal superresistente, utilizado en la industria pesada y el sector de la defensa, sino también como un catalizador poderoso útil para la industria química y para generar hidrógeno.

Incluso podría convertirse en un superconductor de alta temperatura cuando se teje en la configuración molecular correcta.

Puedes leer una visión general técnica y de inversión sobre este recurso en “Tungsteno: El Metal De Alta Tecnología Secreto“.

También es un metal cuya cadena de suministro está casi completamente controlada por China, con una excepción, Almonty Industries.

Almonty Industries

Almonty es un minero de tungsteno que actualmente produce principalmente de una mina en Portugal, en operación durante los últimos 125 años.

La compañía ha estado trabajando en la expansión de la mina portuguesa y posee depósitos no desarrollados en España.

Fuente: Almonty

El proyecto más importante de la compañía es el desarrollo en curso de una nueva mina en Sangdong, Corea del Sur. La mina contiene más recursos inferidos que todos sus otros depósitos combinados.

Fuente: Almonty

Como uno de los pocos mineros de tungsteno activos y productores en países occidentales, Almonty es un proveedor estratégico clave para la industria de la defensa. Así que es una empresa importante para reducir la dependencia del suministro chino.

La ubicación de la mina de Sangdong la convierte en un proveedor perfecto para la industria de la defensa, con Corea del Sur como un nuevo gigante en la producción masiva de “tecnologías bajas” de equipo militar como tanques, artillería y municiones (en comparación con aviones de combate, portaaviones, etc. que demandan menos tungsteno).

While China prepares to open a huge tungsten mine in Kazakhstan, Almonty is poised to “substantially shift the politics involved with securing tungsten” when the Almonty Korea Tungsten Project’s Sangdong mine comes online within a few months. When it begins production, it will be one of the world’s largest tungsten mines, accounting for 30% of the non-Chinese supply.

Lewis Black, director, presidente y CEO de Almonty Industries

Almonty debería comenzar a producir tungsteno en la mina coreana a principios o mediados de 2025.

Debido a su posición estratégica como esencialmente el único gran proveedor en Occidente, Almonty fue ofrecido un precio garantizado por Plansee. Plansee es un fabricante de metales de alto rendimiento y uno de los clientes más grandes de Almonty, así como el propietario del 15% de la compañía.

El precio garantizado mínimo fue de $235/MTU (unidad de tonelada métrica), sin umbral superior. Como la mina de Sangdong tiene como objetivo costos de caja de $110/mtu, esto debería garantizar una alta margen de beneficio para el proyecto.

Con un timing casi perfecto entre la apertura próxima de Sangdong y una nueva guerra comercial entre la América de Trump y China, el precio de las acciones ha reaccionado fuertemente y ha subido un 40% en solo 2 días después del anuncio de la restricción de exportación de tungsteno de China.

A medida que el tungsteno se vuelve más y más importante para aplicaciones de alta tecnología, así como las tensiones geopolíticas se mantienen altas, es probable que el suministro seguro y no chino de tungsteno genere un premio estable, con Almonty como uno de los beneficiarios más fuertes.

Referencia De Estudio:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Catalizadores electroquímicos auto-optimizantes de óxido de cobalto y tungsteno hacia una evolución de oxígeno mejorada en medios alcalinos. Angewandte Chemie. 05 February 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074}

^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Electroreformación de lodos de aguas residuales impulsada por energía solar acoplada con canalización biológica para generar alimentos verdes y hidrógeno. Nature Water. Volumen 2, páginas 1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}