Un equipo del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro de investigación mixto de la Universitat Politècnica de València (UPV) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y del Instituto de Tecnologías de Información y Comunicaciones (ITACA) de la UPV ha desarrollado el diseño de materiales que permiten mejorar el proceso de obtención de hidrógeno del agua a partir de radiación microondas.
Entre las tecnologías de producción de hidrógeno, la electrólisis de vapor y los ciclos termoquímicos impulsados por energía solar que utilizan óxidos sólidos reducibles resultan prometedores, pero se enfrentan a problemas debido a las altas temperaturas de funcionamiento. El bucle químico redox accionado por microondas permite la electrificación directa y sin contacto del proceso, a la vez que reduce la temperatura de operación y la complejidad.
Los científicos demostraron en trabajos anteriores que las microondas pueden accionar eficazmente ciclos de reducción/división de agua utilizando ceria dopada con Gd a bajas temperaturas (<250 °C), pero es necesario ajustar las propiedades de los materiales. En este nuevo trabajo exploran las propiedades clave de los materiales que afectan al mecanismo redox mediante el cribado de una serie de materiales de ceria dopada para mejorar la producción de hidrógeno por microondas.
La investigación se centra en la mejora notable de la producción de hidrógeno verde a través de ciclos redox, en los cuales el material toma y libera el oxígeno del agua, y la separa del oxígeno de forma estable.
El proceso desarrollado permite obtener hidrógeno verde a partir de energía eléctrica renovable debido al diseño y uso de materiales que cuentan con estas propiedades redox y que responden a la radiación microondas. La base del ciclo químico redox es la trasferencia de electrones entre átomos de distintos elementos en presencia del campo electromagnético inducido, lo que permite la electrificación del proceso.
Las microondas aportan ventajas únicas en la electrificación de un proceso redox, como el aporte de energía eléctrica sin necesidad de contactos y la disminución drástica de la temperatura del ciclo (de 1300 ºC a 400 ºC), lo que disminuye también la complejidad del proceso de obtención de H2 y maximiza la eficiencia energética.
“La principal novedad del trabajo es el estudio exhaustivo de las propiedades del material que determinan el rendimiento del proceso”, explican los investigadores en “Enhanced Hydrogen Production in Microwave-Driven Water-Splitting Redox Cycles by Engineering Ceria Properties”, publicado recientemente en Advanced Energy Material.
“Se han sentado las bases del diseño de materiales para adaptar la producción de oxígeno e hidrógeno, y ajustar el estado energizado del material en función de la aplicación deseada. Además, se ha demostrado que es posible extraer el oxígeno a través de un proceso por pulsos de gran rapidez y altamente controlado”, añaden.
“El diseño de las cavidades o cámaras donde aplicamos microondas, así como el control del proceso de radiación sobre estos materiales, es fundamental para aprovechar las ventajas únicas que ofrece la tecnología de microondas. En los últimos años, esta tecnología se ha consolidado en numerosas aplicaciones industriales debido a su rápida escalabilidad y alta eficiencia energética.”, explica José Manuel Catalá, director del Instituto ITACA (UPV).
“Durante la investigación se ha hecho un estudio pormenorizado de la influencia en la producción de hidrógeno de distintos dopantes introducidos en el material matriz (óxido de cerio) con el objetivo de ajustar la interacción con la radiación microondas y las propiedades del material resultante energizado. Posteriormente, se ha estudiado la capacidad de producción de hidrógeno de este material y el mecanismo que rige el proceso, que facilitará el futuro diseño de materiales”, concluye José Manuel Serra, director del ITQ (UPV-CSIC).
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