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Desarrollan un catalizador de hidrógeno que usa cobalto en lugar de platino

Abarata mucho los costes reduciendo muy poco la eficiencia


Un grupo de EE.UU. ha desarrollado un catalizador que divide el agua para producir hidrógeno con cobalto en lugar de platino, lo que abarata mucho los costes reduciendo muy poco la eficiencia. Además, puede utilizarse con electricidad y con luz solar. Aún es sólo un prototipo 'prueba de concepto'.




Célula de fotoelectrólisis de cobalto, fósforo y azufre del laboratorio de Song Jin, alimentada con luz solar. Imagen: David Tenenbaum. Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison.
Célula de fotoelectrólisis de cobalto, fósforo y azufre del laboratorio de Song Jin, alimentada con luz solar. Imagen: David Tenenbaum. Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison.
El hidrógeno podría ser el combustible ideal: Tanto si se utiliza para producir electricidad en una pila de combustible o quemado para producir calor, el único subproducto es el agua; no hay dióxido de carbono que altere el clima. Como la gasolina, el hidrógeno también se podría utilizar para almacenar energía.

El hidrógeno se produce generalmente dividiendo el agua con energía eléctrica. Y aunque el suministro de agua es en esencia ilimitado, un gran obstáculo para una futura "economía del hidrógeno" es la necesidad de platino u otros caros metales nobles para los dispositivos divisores del agua.

Los metales nobles resisten la oxidación, y entre ellos están muchos de los metales preciosos, como el platino, el paladio, el iridio y el oro.

"Se trata de dar con alternativas de bajo coste para el platino y otros metales nobles", dice Song Jin, profesor de química en la Universidad de Wisconsin-Madison, en la información de ésta.

En la edición digital de Nature Materials, el equipo de investigación de Jin describe un catalizador de hidrógeno que contiene fósforo y azufre, ambos elementos comunes, y cobalto, un metal que es 1.000 veces más barato que el platino.

Los catalizadores reducen la energía necesaria para iniciar una reacción química. El nuevo catalizador es casi tan eficaz como el platino y es probable que muestre el rendimiento catalítico más alto entre los catalizadores de metales no nobles conocidos hasta el momento, según Jin.

El avance surge de una larga línea de investigación en el laboratorio de Jin que se ha centrado en el uso de pirita de hierro (pirita) y otros materiales baratos y abundantes para la transformación de energía. Jin y sus alumnos Miguel Cabán-Acevedo y Michael Stone descubrieron el nuevo catalizador de alto rendimiento mediante la sustitución del hierro para producir pirita de cobalto, y luego añadieron fósforo.

Luz solar

Aunque la electricidad es la fuente de energía habitual para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, "hay un gran interés en el uso de la luz solar para dividir el agua directamente", dice Jin.

El nuevo catalizador también puede trabajar con la energía de la luz solar, dice Jin. "Hemos hecho una demostración de un dispositivo prueba de concepto para el uso de este catalizador de cobalto con energía solar para generar hidrógeno, y también tiene la mejor eficiencia conocida en sistemas similares."

Muchos investigadores están tratando de encontrar un sustituto más barato para el platino, dice Jin. "Debido a que este nuevo catalizador es mucho mejor y está tan cerca de la eficiencia del platino, de inmediato presentamos una patente provisional, en tan sólo dos semanas."

Dudas

Quedan muchas preguntas sobre el catalizador, puesto que sólo se ha probado en el laboratorio, dice Jin. "Hay que considerar el coste del catalizador en comparación con el conjunto del sistema. Siempre hay que llegar a un compromiso: Si usted quiere construir el mejor electrolizador, tendrá que usar platino. Si puede sacrificar un poco de rendimiento y está más preocupado por el coste y la escalabilidad, puede utilizar este nuevo catalizador de cobalto".

Las estrategias para reemplazar una porción significativa de los combustibles fósiles por energía solar renovable debe llevarse a cabo a gran escala para que pueda afectar al clima, dice Jin. "Si nos imaginamos produciendo hidrógeno a partir de electricidad, o directamente de la luz solar, se necesitan kilómetros cuadrados de dispositivos. Y podría no haber suficiente platino para eso".

El equipo de colaboración incluyó al profesor J.R. Schmidt, químico teórico de la UW-Madison, y al profesor de ingeniería eléctrica Jr-Hau He, y sus estudiantes de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (Arabia Saudita).

Referencia bibliográfica:

Miguel Cabán-Acevedo, Michael L. Stone, J. R. Schmidt, Joseph G. Thomas, Qi Ding, Hung-Chih Chang, Meng-Lin Tsai, Jr-Hau He y Song Jin: Efficient hydrogen evolution catalysis using ternary pyrite-type cobalt phosphosulphide. Nature Materials (2015). DOI:10.1038/nmat4410.


Jueves, 17 de Septiembre 2015
Universidad de Wisconsin-Madison/T21
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