Identifican un material que podría hacer del hidrógeno la energía del futuro

Un equipo de la Universidad de Washington en St. Louis desarrolló un catalizador para celdas de combustible que usa cantidades mínimas de platino y mantiene estabilidad y eficiencia durante mucho más tiempo, un avance que podría volver más viable el uso de hidrógeno para abastecer centros de datos, vehículos y otras tecnologías de alto consumo energético, informó el portal científico Science Daily.

La escala del problema energético global explica la relevancia del hallazgo. En Estados Unidos, por ejemplo, el Electric Power Research Institute estima que los centros de datos podrían representar hasta 9% de la generación anual de electricidad del país en 2030, frente al 4% de la demanda total registrada en 2023.

La investigación fue liderada por Gang Wu, profesor Elvera and William R. Stuckenberg en la McKelvey School of Engineering de la universidad, y contó además con científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Northeastern y la Universidad de Pittsburgh. Los resultados se publicaron en la revista especializada Nature Nanotechnology.

Wu explicó que, si un centro de datos pudiera abastecerse con una celda de combustible, convertiría directamente hidrógeno y otros combustibles en electricidad y aliviaría la carga sobre la red energética.

Nuevo diseño calienta el catalizador sin perder partículas

Las celdas de combustible producen electricidad al combinar hidrógeno y oxígeno. Ese proceso también genera agua y calor, y depende de catalizadores que aceleren la reacción, reduzcan pérdidas de energía y sostengan el rendimiento durante más tiempo.

El platino figura entre los materiales más eficaces para esa función, pero su costo obliga a reducir al máximo la cantidad utilizada. Una estrategia extendida consiste en transformarlo en nanopartículas para aumentar la superficie disponible para las reacciones químicas, con cargas típicas inferiores a un cuarto de miligramo por centímetro cuadrado.

El problema es que esas nanopartículas pueden disolverse, desplazarse y agrandarse durante el funcionamiento de la celda, con una caída gradual del rendimiento. Los catalizadores intermetálicos de platino —compuestos en los que los átomos se ordenan en una estructura fija y predecible, a diferencia de las aleaciones convencionales— surgieron como una alternativa porque prometen más actividad y estabilidad, aunque su fabricación arrastra otra limitación.

Para mantener partículas pequeñas, bien distribuidas y eficientes en el uso del metal precioso, los investigadores suelen calentar los materiales a temperaturas inferiores a 700 °C. Ese umbral, conforme al portal, muchas veces no alcanza para completar la transición desde una disposición atómica desordenada —donde los átomos se ubican de manera irregular— hacia una estructura altamente ordenada —donde cada átomo ocupa un lugar preciso y fijo—, una condición clave para maximizar la actividad y la durabilidad del catalizador.

La respuesta del equipo fue un nuevo soporte de carbono: esferas huecas y porosas con nanocanales radiales ordenados, además de una amplia superficie y espacio interno. Esa arquitectura permitió concentrar gran cantidad de nanopartículas intermetálicas de platino-cobalto de forma densa y uniforme.

Wu explicó: “Tradicionalmente, había una compensación entre tamaño y estabilidad, pero con el soporte de nanocanales de carbono ordenados, las nanopartículas de platino-cobalto pueden quedar confinadas y mantenerse estables con un tamaño muy pequeño incluso a altas temperaturas”.

El diseño hizo posible calentar el catalizador a 1.000 °C, una temperatura suficiente para formar la estructura ordenada buscada sin que las nanopartículas se aglomeraran. A la vez, el soporte mantuvo las partículas por debajo de 5 nanómetros y evitó que se distribuyeran de manera desigual.

Alto rendimiento tras 150.000 ciclos de voltaje

El resultado directo fue un intento de resolver una disyuntiva persistente en este campo: partículas más grandes suelen aportar estabilidad, pero sacrifican actividad, mientras que otros enfoques ganan actividad a costa de la vida útil. El equipo buscó las dos cosas mediante un soporte con canales diminutos dispuestos en patrón radial —como los rayos de una rueda, desde el centro hacia afuera— y un control preciso del tamaño y volumen de los poros.

En las pruebas, el material conservó 85% de su rendimiento después de 150.000 ciclos severos de voltaje. Los investigadores estiman que esa resistencia podría equivaler a unas 25.000 horas de operación.

Wu indicó que la estructura abierta de canales también ayuda a que el material que transporta iones, como un ionómero, se distribuya de manera uniforme y facilite el movimiento de protones, oxígeno y agua a través del electrodo —la superficie donde ocurren las reacciones electroquímicas—.

“Como resultado, las nanopartículas de platino-cobalto incorporadas en este soporte mostraron un rendimiento de primer nivel y una durabilidad prolongada”, resumió.

Ese comportamiento no solo estabiliza las nanopartículas. Los canales abiertos también crean trayectorias más sencillas para la circulación de protones, oxígeno y agua, una condición que mejora el funcionamiento general del sistema.

Si el desarrollo posterior confirma estos resultados y avanza con socios industriales, la tecnología podría mejorar celdas de combustible destinadas tanto al transporte como a la generación eléctrica. En el caso de los centros de datos, la posibilidad concreta es producir electricidad directamente a partir de hidrógeno u otros combustibles y reducir parte de la demanda creciente que hoy recae sobre las redes eléctricas a nivel global.