Energía
Catalizador de Hidrógeno sin Platino: Un Gran Avance en la Tecnología de Energía Limpia
Una transición hacia la energía limpia está ocurriendo en todo el mundo a medida que la creciente crisis climática crea una necesidad urgente de descarbonizar los sistemas energéticos.
A diferencia de los combustibles fósiles como el carbón y el petróleo, las fuentes de energía limpia no liberan enormes cantidades de gases de efecto invernadero (GEI) como metano, CO₂, óxido nitroso u otros contaminantes durante su producción, lo que contribuye a un medio ambiente más saludable.
Curiosamente, la energía limpia puede provenir de fuentes renovables como el sol, que se reponen constantemente y están disponibles en todo el planeta, así como de fuentes no renovables como la energía nuclear, que utiliza recursos finitos (uranio).
En comparación con sus contrapartes de combustibles fósiles, las fuentes de energía limpia también tienen costos de mantenimiento y operación más bajos, lo que permite precios más estables para los consumidores.
Con ello, la industria de energía limpia está creciendo rápidamente, con inversiones en tecnologías limpias que reducen el impacto ambiental y promueven la sostenibilidad, alcanzando un récord de $71 mil millones en el tercer trimestre de 2024, según Deloitte.
Ahora, cuando se trata de fuentes de energía limpia, aquí están las más prominentes:
- Solar – La radiación del sol se aprovecha aquí mediante tecnologías como los paneles fotovoltaicos (PV) que convierten la luz solar directamente en electricidad. En 2024, la capacidad solar global aumentó significativamente, añadiendo unos notables 593 GW de capacidad solar PV.
- Eólica – La energía cinética del viento se convierte en electricidad mediante turbinas. Dependiendo de la ubicación de las turbinas, puede ser de dos tipos: energía eólica terrestre, donde los parques eólicos se encuentran en tierra, y energía eólica marina, donde los parques eólicos se encuentran en el mar.
- Hidráulica – La energía cinética del agua corriente se utiliza para generar electricidad, principalmente a través de presas y turbinas. La energía hidroeléctrica aporta aproximadamente 15% de la generación total de electricidad.
- Geotérmica – Este tipo de energía se aprovecha mediante el calor interno de la Tierra y se obtiene a través de plantas de energía geotérmica ubicadas en reservorios subterráneos.
- Biomasa – Aquí se aprovecha materia orgánica como residuos agrícolas y forestales.
- Nuclear – Es la energía de un átomo con potencia obtenida de la fisión y fusión nuclear. Según la encuesta de energía y servicios públicos de Deloitte, las tecnologías nucleares avanzadas jugarán el papel más importante para satisfacer la creciente demanda de energía en los próximos años.
- Hidrógeno – El hidrógeno se produce a partir de diversos recursos y, cuando se consume en una pila de combustible, solo produce agua. El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha asignado $7 mil millones para desarrollar centros de hidrógeno.
Hidrógeno como un Combustible Limpio y Potente
El primer elemento de la tabla periódica, el hidrógeno (H), es una sustancia gaseosa incolora, inodora, insípida, altamente combustible y no tóxica. También es el elemento más simple, ligero y abundante.
Pero lo que lo hace extremadamente atractivo es el hecho de que, al quemarse, el hidrógeno solo produce vapor de agua. Cuando se produce usando energía renovable, en particular, el hidrógeno verde puede ayudar a descarbonizar sectores como el transporte y la generación eléctrica.
En medio de la creciente demanda energética de la sociedad, el hidrógeno ofrece una fuente de energía limpia y altamente eficiente que puede potencialmente ser producido a partir de diversas fuentes. En realidad es un portador de energía que puede ser utilizado para mover, almacenar y entregar energía producida a partir de otras fuentes.
Ahora, las formas más comunes de producir combustible de hidrógeno son:
- Proceso Térmico – Producido mediante un proceso de alta temperatura llamado reformado con vapor, el hidrógeno se genera cuando el vapor reacciona con combustibles hidrocarburos como gas natural, diésel, carbón gasificado, biomasa gasificada y combustibles líquidos renovables.
- Proceso Electrolítico – El agua (H₂O) se separa en oxígeno e hidrógeno usando una corriente eléctrica. El proceso ocurre dentro de un electrolizador, donde la electricidad pasa a través del agua, provocando la separación de las moléculas.
- Proceso Impulsado por la Luz Solar – La luz se utiliza para producir hidrógeno e incluye diferentes enfoques, como fotobiológico, fotoelectroquímico y termochímico solar.
- Proceso Biológico – El hidrógeno se produce mediante reacciones biológicas usando microbios como bacterias y microalgas.
Ahora, el hidrógeno tiene un gran potencial para satisfacer las necesidades de energía limpia de la sociedad, pero el problema es que aún existen desafíos que deben superarse. Estos desafíos incluyen lograr producción masiva, transporte y almacenamiento. Además, la producción de hidrógeno debe ser estable y económica.
La reacción de evolución de hidrógeno (HER) se considera el método de producción de hidrógeno más respetuoso con el medio ambiente y sostenible. Es una reacción catódica que implica la electrólisis del agua.
En este proceso electroquímico de división del agua, se utilizan metales como platino, níquel y otros metales de transición como catalizadores que reducen los protones a gas hidrógeno.
El problema aquí surge con el metal más comúnmente usado como catalizador, el platino, que, aunque ofrece un rendimiento catalítico altamente eficiente, enfrenta problemas de escasez y costo. Por ello, hay un creciente enfoque en catalizadores alternativos para minimizar el consumo de metales preciosos.
El Papel del Platino en la Limpieza del Hidrógeno
Un metal brillante, de color blanco plateado que a veces se confunde con la plata, el platino (Pt) es clave para lograr el objetivo de emisiones netas cero. Este metal denso, maleable y lustroso es altamente inerte y resistente a la corrosión, incluso a altas temperaturas.
Sin embargo, es un metal extremadamente raro, más de 30 veces más raro que el oro, presente a una concentración de solo 0,005 ppm en la corteza terrestre. Como metal escaso, el platino es difícil y costoso de extraer, lo que implica un producto final más caro.
El metal se extrae principalmente en Sudáfrica, que aporta más del 70 % del suministro mundial de platino, junto con Rusia, Zimbabue, Canadá y EE. UU.
En cuanto a los casos de uso, el platino se utiliza para fabricar joyería, pero lo más importante es que se emplea en componentes electrónicos y convertidores catalíticos para reducir las emisiones del transporte. En 2022, alrededor de 85 toneladas del metal se usaron solo para convertidores catalíticos. También está emergiendo como un mineral crítico en la transición energética global.
El metal es particularmente invaluable en electrolizadores, que son de varios tipos, pero los desarrolladores de proyectos de hidrógeno prefieren la electrólisis de membrana de intercambio protónico (PEM). Una alternativa más eficiente a la electrólisis alcalina, los electrolizadores PEM usan platino para crear catalizadores de rendimiento extremadamente alto.
El platino también se usa en pilas de combustible PEM, que funcionan como los electrolizadores PEM pero a la inversa. En lugar de separar hidrógeno y oxígeno, los combina usando platino como catalizador.
Las pilas de combustible de hidrógeno están formadas por dos electrodos — un ánodo (electrodo negativo) y un cátodo (electrodo positivo) con un electrolito que los separa. Un catalizador, que es una capa de metal como el platino, en el ánodo divide las moléculas de hidrógeno en protones y electrones, que se desplazan hacia el cátodo para crear un flujo de electricidad.
La excelente conductividad y estabilidad química del platino son lo que lo hacen tan eficiente como catalizador. Su eficiencia es clave para lograr altas tasas de conversión de energía en las pilas de combustible, permitiéndoles competir con fuentes de energía tradicionales.
A medida que la necesidad de descarbonización sigue aumentando, se espera que la demanda de platino crezca gracias a las tecnologías PEM basadas en platino, que prometen lograr una reducción del 11 % de las emisiones globales de dióxido de carbono.
Por lo tanto, hay un creciente enfoque en este metal a nivel mundial. En EE. UU., la Ley de Reducción de la Inflación incluye un beneficio fiscal para el hidrógeno bajo en carbono con el objetivo de acelerar la producción de hidrógeno limpio y la adopción de vehículos eléctricos de pila de combustible. El programa REPowerEU de la Comisión Europea, por su parte, apunta a duplicar su capacidad de hidrógeno limpio a 80 GW para 2030.
Este impulso global, según el World Platinum Investment Council, puede convertir la producción de hidrógeno limpio en la mayor fuente (35 %) de demanda de platino para 2040.
Además de la dinámica desequilibrada de oferta y demanda, el uso de metales preciosos como el platino plantea desafíos adicionales, como altos costos, posible degradación y preocupaciones medioambientales. Como resultado, los investigadores han estado trabajando continuamente en formas de eliminar el platino como catalizador de hidrógeno y encontrar mejores alternativas.
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Creando Catalizadores sin Platino
En la búsqueda de hidrógeno sin platino, investigadores de UNSW Sydney están realizando un estudio para abordar los problemas asociados con el uso del metal precioso en pilas de combustible de hidrógeno.
Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para entender por qué algunos materiales catalíticos tienen menos estabilidad que el Pt, lo que ayudará a otros investigadores a desarrollar nuevos materiales y mejorar las perspectivas futuras de los catalizadores sin platino en pilas de combustible de hidrógeno.
Las técnicas desarrolladas revelaron que hasta un 75 % de los sitios activos basados en hierro en la pila de combustible se volvieron inactivos en las primeras 10 horas de operación. Esto se debió en gran parte a la pérdida de sitios activos de hierro, siendo la corrosión del carbono otra razón.
En un estudio separado1, investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison, Cornell University y Wuhan University descubrieron una nueva forma de catalizar la reacción para fabricar pilas de combustible de hidrógeno.
Los investigadores usaron níquel, un metal barato y no precioso, tanto para los electrodos del cátodo como del ánodo de la pila de combustible. El electrocatalizador a base de níquel fue diseñado con una capa de 2 nanómetros de carbono dopado con nitrógeno.
Incorporar átomos individuales de níquel en una cubierta similar al grafeno compuesta de átomos de carbono y nitrógeno los hizo resistentes a la oxidación y los hizo enlazar átomos de hidrógeno con la fuerza ideal necesaria para una reacción de oxidación de hidrógeno (HOR) eficaz.
Así, con un catalizador de ánodo de núcleo sólido de níquel envuelto en una capa de carbono y un cátodo de cobalto-manganeso, los investigadores crearon una pila de combustible de hidrógeno libre de cualquier metal precioso con una salida superior a 200 mW/cm².
En 2020, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del DOE descubrieron y desarrollaron el catalizador sin platino más prometedor para pilas de combustible de hidrógeno que dependen de la reacción de reducción de oxígeno (ORR). Se basó en hierro, nitrógeno y carbono, que se mezclaron y calentaron entre 900 y 1100 °C en pirólisis.
Luego, los átomos de hierro del material se enlazaron con átomos de nitrógeno y se incrustaron en grafeno. Aquí, cada átomo de hierro constituye un sitio donde puede ocurrir la ORR, haciendo que el electrodo sea más eficiente.
En medio de este creciente interés por reducir la dependencia del costoso platino y mejorar la eficiencia y rentabilidad de las pilas de combustible y electrólisis de hidrógeno, los científicos han desarrollado ahora un catalizador de nanosheet a base de paladio cuyo rendimiento es comparable al del platino en la producción de hidrógeno.
Paladio como Alternativa al Platino para un Hidrógeno Asequible
El estudio más reciente2 provino de investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) que han desarrollado un novedoso catalizador de evolución de hidrógeno, nanosheets de coordinación bis(diimino)paladio (PdDI).
El paladio es un metal brillante, plateado y uno de los más abundantes del grupo del platino, con una densidad mucho menor que la del platino.
El uso del paladio, que ofrece una eficiencia similar al platino a una fracción del costo, allana el camino para una producción de hidrógeno asequible y sostenible que acelere la revolución de la energía limpia.
Liderado por el profesor Hiroshi Nishihara y el Dr. Hiroaki Maeda de TUS en asociación con investigadores de otros institutos, el estudio marca un avance en la tecnología de reacción de evolución de hidrógeno (HER).
Los electrodos del catalizador HER facilitan la conversión de H, que se produce en la superficie del electrodo durante la división del agua, en gas hidrógeno (H₂). Para superar las limitaciones del Pt que restringen su aplicación a gran escala como catalizador HER, el equipo ofrece una alternativa altamente eficiente a los catalizadores de platino mediante un proceso de síntesis simple.
El equipo creó nanosheets a base de paladio que tienen la capacidad de lograr una actividad catalítica elevada con un uso reducido de metales preciosos, lo que reduce significativamente los costos de producción de H₂.
Como señaló el Dr. Maeda, “desarrollar electrocatalizadores HER eficientes es clave para una producción sostenible de H₂” y “Los nanosheets de coordinación bis(diimino)metal, con su alta conductividad, gran superficie y eficiente transferencia de electrones, son candidatos prometedores.” Además de estas propiedades, la disposición escasa del metal en los nanosheets reduce el uso de material.
Los nanosheets PdDI, a saber, E-PdDI y C-PdDI, se desarrollaron con éxito mediante dos métodos diferentes:
- Oxidación electroquímica
- Síntesis interfacial gas‑líquido
Una vez activadas, las láminas E-PdDI demostraron un bajo sobrepotencial de 34 mV, lo que significa que se requiere poca energía adicional para la producción de hidrógeno. No solo iguala el sobrepotencial del platino, que es de 35 mV, sino también el rendimiento catalítico del metal precioso con una densidad de corriente de intercambio de 2,1 mA/cm².
El “rendimiento notable” supera no solo al de los electrodos de metal Pd, sino también a los nanosheets convencionales MDI (M=Ni, Co, Cu), según el estudio, añadiendo que este desempeño excepcional se logró a pesar de usar cantidades muy pequeñas de metales preciosos.
Con estos resultados, E-PdDI presenta los catalizadores HER más eficientes desarrollados hasta la fecha, lo que lo convierte en una alternativa de bajo costo prometedora al platino.
En cuanto a la estabilidad a largo plazo, que es uno de los aspectos críticos de cualquier catalizador, los nanosheets PdDI también mostraron una excelente durabilidad. Permanecieron intactos después de 12 horas en condiciones ácidas, validando su aplicabilidad para sistemas reales de producción de hidrógeno.
“Nuestra investigación nos acerca un paso más a hacer la producción de H₂ más asequible y sostenible, un paso crucial para lograr un futuro energético limpio.”
– Dr. Maeda
Al reducir la dependencia de un platino escaso y costoso, los nanosheets de coordinación bis(diimino)paladio (PdDI) también se alinean con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU, promoviendo energía asequible y limpia, así como innovación e infraestructura.
Cabe destacar que el estudio no está limitado a experimentos de laboratorio. La rentabilidad, escalabilidad y actividad mejorada de los nanosheets PdDI los hacen extremadamente útiles en sistemas de almacenamiento de energía a gran escala, pilas de combustible de hidrógeno y producción industrial de hidrógeno.
Además, PdDI podría reducir las emisiones asociadas a la minería de catalizadores basados en platino, acelerando la transición a una economía de hidrógeno sostenible. El próximo paso del equipo de TUS es optimizar los nanosheets PdDI para su uso en el mundo real.
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Empresas Innovadoras con Potencial de Inversión
Veamos ahora un nombre destacado en el sector que está ayudando a avanzar las tecnologías de energía limpia, incluido el desarrollo de catalizadores de hidrógeno sin platino.
Plug Power Inc. (PLUG )
La empresa con capitalización de mercado de $1,54 mil millones se especializa en sistemas de pilas de combustible de hidrógeno y ha estado investigando catalizadores sin platino para reducir costos y mejorar la eficiencia.
Al momento de escribir, las acciones de PLUG cotizan a $1,71, con una caída del 21,6 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -2,54, y el P/E (TTM) es -0,65.
(PLUG )
Para el cuarto trimestre de 2024, Plug Power informó ingresos de $191,5 millones y una pérdida de margen bruto del 122 %, mientras que el flujo de efectivo operativo mejoró un 46 % interanual. Cerró el año con más de $200 millones en efectivo no restringido. La compañía cerró recientemente un programa de garantía de préstamo del DOE de $1,66 mil millones.
Durante este período, el negocio de electrolizadores de Plug Power continuó escalando, y el negocio de hidrógeno se fortaleció.
“2024 fue un año de fuerte ejecución y progreso estratégico significativo para Plug mientras avanzábamos en nuestras iniciativas y lográbamos avances en impulsar la economía del hidrógeno hacia adelante.”
– CEO Andy Marsh
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Conclusión
Con la población mundial creciendo rápidamente, lo que se espera que alcance aproximadamente 10,3 mil millones a mediados de la década de 2080, el problema de las emisiones de gases de efecto invernadero se volverá aún más grave. Esto crea la necesidad de reducir nuestra dependencia de la energía basada en combustibles fósiles y adoptar fuentes de energía que sean limpias, más seguras, abundantes y respetuosas con el medio ambiente.
En este contexto, la energía de hidrógeno ha surgido como un motor clave de un futuro limpio y sostenible, ofreciendo una alternativa sin emisiones a los combustibles fósiles. Si bien es prometedora, la producción a gran escala de hidrógeno depende en gran medida de catalizadores costosos basados en platino, lo que convierte el costo en un gran desafío para la industria.
Al sustituir el metal precioso Pt por nanosheets PdDI, el estudio más reciente ha logrado un avance en la producción rentable de electrodos y ha generado excelentes resultados en industrias suministradoras de electrodos, producción de hidrógeno y automóviles.
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Estudios Referenciados:
1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119
2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082
