Un avance del MIT podría ser clave para posicionar al hidrógeno como combustible del futuro

Un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) desarrolló un método electroquímico —que combina electricidad y reacciones químicas— para extraer hidrógeno puro del amoníaco, un compuesto líquido fácil de almacenar y transportar que podría facilitar el suministro de este gas para celdas de combustible, la fabricación de semiconductores y procesos químicos. La técnica reduce la temperatura y la energía necesarias para liberar el hidrógeno, al tiempo que lo separa de los demás componentes sin una etapa posterior de purificación, informó el MIT News, el portal del propio instituto.

El sistema puede operar a alrededor de 200 °C o 300 °C, frente a los más de 500 °C que suele requerir la descomposición convencional del amoníaco para alcanzar tasas altas de reacción y conversión. La diferencia permitiría recuperar el gas bajo condiciones más moderadas y evitar el consumo energético asociado a su purificación.

El avance fue presentado en un estudio publicado en la revista científica Nature. Yogesh Surendranath, profesor Donner de Ciencias y profesor de química e ingeniería química en el MIT, fue el autor de correspondencia de la investigación, cuyo autor principal fue Rui Zeng, exinvestigador posdoctoral del instituto y actual profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el Instituto de Tecnología de Harbin, en Shenzhen, China.

El amoníaco como reserva líquida de hidrógeno

El hidrógeno es hoy un insumo clave en industrias como la fabricación de semiconductores y el procesamiento químico, y también funciona como vector energético en celdas de combustible —dispositivos que convierten combustibles como el hidrógeno directamente en electricidad—. Sin embargo, ampliar su uso a gran escala enfrenta un obstáculo central: distribuirlo de forma eficiente.

Transportar hidrógeno gaseoso exige comprimirlo o licuarlo, dos procesos que dificultan una distribución eficiente. Una alternativa consiste en almacenarlo químicamente en compuestos líquidos o fácilmente licuables —denominados portadores de hidrógeno— capaces de retener el gas y liberarlo en el lugar y el momento en que se necesita.

El amoníaco, cuya fórmula es NH3, aparece como uno de esos portadores porque ya se produce y se transporta a largas distancias. Sin embargo, liberarlo no es sencillo: su descomposición, conocida como craqueo, requiere altas temperaturas porque sin un aporte externo de energía la separación del hidrógeno no ocurre de forma eficiente. Además, el proceso genera una mezcla de hidrógeno, nitrógeno y amoníaco sin reaccionar que debe separarse antes de que el hidrógeno pueda emplearse en aplicaciones que exigen alta pureza.

Surendranath explicó: “Queríamos saber si podíamos usar aportes eléctricos para impulsar una reacción de deshidrogenación [separación del hidrógeno de un compuesto químico] que, de otro modo, sería desfavorable, y hacerlo simultáneamente de una manera que separara el hidrógeno de su portador, de modo que fuera muy puro y pudiera usarse directamente en una celda de combustible u otra aplicación que requiera una corriente de hidrógeno de alta pureza”.

La pieza central del diseño combina una membrana de separación basada en paladio con un electrodo generador de hidrógeno y un electrolito de hidróxido fundido —una sustancia en estado líquido que conduce la corriente eléctrica dentro del sistema—. La membrana transporta selectivamente el hidrógeno e impide el paso de otros componentes de la mezcla de reacción.

El amoníaco se deshidrogena primero mediante un catalizador —una sustancia que activa y acelera la reacción química sin alterarse en el proceso— que contiene rutenio y cesio. Después, el hidrógeno llega a la membrana, cuyo lado opuesto está en contacto con el electrolito fundido.

La diferencia electroquímica a través de esa barrera actúa como un vacío que atrae al hidrógeno hacia el otro lado de la membrana y proporciona la fuerza que impulsa su transporte. Para cruzarla, el gas se descompone en sus partes más pequeñas: protones —partículas con carga positiva— y electrones —partículas con carga negativa—. Los primeros atraviesan el electrolito y los segundos circulan por un circuito externo, antes de recombinarse en un segundo electrodo para formar nuevamente hidrógeno gaseoso puro.

“Con este proceso electroquímico podemos bombear activamente hidrógeno desde una concentración baja hacia una concentración alta”, señaló Surendranath. La extracción continua también favorece la reacción de deshidrogenación cuando la presencia de hidrógeno la inhibe.

Separación simultánea y aplicaciones industriales

La selectividad de la membrana permite obtener una corriente concentrada de hidrógeno sin un proceso de purificación posterior. Esa característica modifica el entorno de la reacción, además de separar el producto, y contribuye a que la recuperación pueda efectuarse a menores temperaturas.

Curtis Berlinguette, profesor de química e ingeniería química y biológica de la Universidad de Columbia Británica, calificó el método como “una poderosa nueva forma” de resolver la obtención de hidrógeno puro a partir de amoníaco y otros portadores. El investigador no participó en el trabajo.

“Al usar electricidad para arrastrar el hidrógeno a través de la membrana a medida que se libera, aceleran la deshidrogenación del amoníaco y de los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno, mientras producen simultáneamente una corriente de hidrógeno purificada”, afirmó Berlinguette. “Este es un avance importante para las ciencias de la energía porque abre una vía creíble para transportar hidrógeno en portadores químicos estables y liberarlo donde y cuando se necesita”.

Además del amoníaco, los investigadores probaron la estrategia con metilciclohexano. Esa molécula forma parte de los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno, conocidos como liquid organic hydrogen carriers (LOHC), compuestos capaces de almacenar el gas para su posterior liberación.

El equipo prevé aplicaciones en automóviles, autobuses y barcos, así como en la producción de semiconductores y componentes electrónicos. El hidrógeno puro interviene en varias etapas de la fabricación de semiconductores, donde ayuda a elevar el rendimiento de producción y a reducir defectos en las superficies.

El paladio es un metal costoso, por lo que los investigadores buscan disminuir la cantidad necesaria para fabricar la membrana. También trabajan en ampliar la escala del proceso y en adaptarlo a otras reacciones de deshidrogenación con potencial industrial; la investigación recibió financiación de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos.