Generación de hidrógeno verde: un desafío transversal arraigado en la electroquímica

El hidrógeno verde, producido a partir de la electrólisis del agua utilizando fuentes de energía renovables, se está explorando como una estrategia para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y descarbonizar los procesos químicos. Desde un punto de vista ambiental, este enfoque es extremadamente atractivo dado que se usan condiciones suaves durante la electrólisis y no se producen gases de efecto invernadero cuando se usa hidrógeno en una celda de combustible.

Sin embargo, la economía de los sistemas de electrólisis y pilas de combustible para la conversión de energía depende en gran medida de los costes de la electricidad y de metales como el níquel, el platino, el iridio y el titanio. Los gastos operativos del electrolizador deben minimizarse para que el hidrógeno verde se convierta en una opción económicamente viable. La entrada de electricidad contribuye en gran medida al costo. Por lo tanto, disminuir el costo de la energía renovable es un paso necesario. Los paneles solares cada vez más eficientes y asequibles en las últimas décadas son motivo de optimismo en este sentido [1], pero se puede hacer mucho más para aumentar el éxito del hidrógeno verde. Los electrolizadores más eficientes podrían hacer un mejor uso de la electricidad de entrada y el desarrollo de componentes más baratos y duraderos puede reducir tanto los costos operativos como de capital.

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Interés transversal en el hidrógeno verde

Los electrolizadores son principalmente dispositivos electroquímicos con electrocatalizadores responsables de la división del agua (Figura 1). Los desafíos científicos relacionados con la optimización de electrolizadores están atrayendo la atención de investigadores que tradicionalmente no están capacitados en electroquímica. La búsqueda de electrocatalizadores HER (reacción de evolución de hidrógeno) y OER (reacción de evolución de oxígeno) eficientes también despierta el interés de los químicos y físicos inorgánicos. El desarrollo de mejores membranas requiere experiencia en química orgánica y de polímeros. La optimización de las tintas de catalizador y su interacción con los sustratos requiere el conocimiento de un científico de materiales. La gestión del flujo de calor y masa dentro de la pila de celdas de combustible y el equilibrio de la planta son esfuerzos de ingeniería. Claramente, el desarrollo continuo de tecnologías de hidrógeno verde ha fomentado la colaboración de científicos e ingenieros en muchas disciplinas.. El resultado es una afluencia de creatividad y perspicacia, así como el desarrollo de nuevos y emocionantes materiales y técnicas.

Volver a lo básico

Trabajar en un dominio desconocido significa que existe la necesidad de ponerse al día rápidamente con las mejores prácticas y aprender un nuevo vocabulario científico. Para muchas instituciones, la educación sobre principios electroquímicos y habilidades de laboratorio no fue un área de enfoque clave hasta los últimos años.

En algunos casos, la deficiencia de la formación electroquímica fundamental ha dado lugar a incoherencias en la notificación de importantes indicadores de rendimiento. La comunidad electroquímica ha tomado nota de esto y ha pedido un enfoque más riguroso. Como resultado, los expertos han intensificado y proporcionado orientación práctica para cuantificar y reportar en este dominio.

Al investigar materiales electrocatalizadores, es necesario tener puntos de referencia e indicadores de rendimiento bien definidos. En 2013, se publicó un protocolo integral de evaluación comparativa para evaluar y reportar cifras de mérito para electrocatalizadores OER.

Esta artículo JACS [2] proporciona consejos prácticos sobre cómo interpretar la superficie del catalizador en términos de rugosidad y área de superficie geométrica y cómo realizar y analizar mediciones para realizar comparaciones válidas del rendimiento electrocatalítico.

Evaluación comparativa de electrocatalizadores heterogéneos para los electrocatalizadores de oxígeno para la reacción de evolución de oxígeno (JACS, 2013)

Una fuente común de confusión e inconsistencia en las mediciones electroquímicas es el uso de varios electrodos de referencia (RE). La actividad electrocatalítica se juzga por el sobrepotencial necesario para una tasa de producción específica (es decir, la densidad de corriente para el proceso HER o OER, Figura 1). Se necesita una configuración de tres electrodos para medir el potencial, y el RE es crucial para situar este potencial en una escala relativa, permitiendo la comparación de medidas realizadas por diferentes grupos y en diversas condiciones.

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Electrodos de referencia y su uso

Un artículo de Viewpoint de 2020 en Cartas de energía de ACS [3] proporciona una explicación detallada de cómo informar el sobrepotencial de un electrocatalizador, centrándose en electrodos de referencia de uso común como Hg/HgO, Hg/Hg₂cl₂ (SCE) y Ag/AgCl.

Cómo informar de forma fiable el sobrepotencial de un electrocatalizador (ACS, 2020)

El electrodo de hidrógeno reversible (RHE) es otro RE de uso común que es extremadamente adecuado para estudios HER y OER. Un reciente Artículo de ACS Catálisis [4] explica por qué el RHE es el electrodo ideal de referencia para la investigación de electrólisis y explica cómo preparar y trabajar con un RHE. Por convención, todos los potenciales redox estándar se informan frente al electrodo de hidrógeno estándar (SHE). El RHE es una extensión del SHE dependiente del pH y se refiere a la reducción de un protón en condiciones no estándar como se describe en la ecuación de Nernst.

Electrodos de hidrógeno estándar y reversibles: teoría, diseño, funcionamiento y aplicaciones (ACS, 2020)

Los electrolizadores funcionan en condiciones ácidas y alcalinas, por lo que el HER y el OER se estudian en la escala de pH (Figura 1). El RHE es adecuado para su uso a cualquier pH y comparte la misma dependencia del pH que el HER y OER.

Un terreno común para pararse

Encontrar un lenguaje común y entendimiento entre estos diferentes campos es vital. Esta Artículo de sinopsis de JOC [5] aclara conceptos electroquímicos para químicos orgánicos. El artículo es muy visual y proporciona esquemas que vinculan conceptos como energía libre, potencial redox y sobrepotencial. La termodinámica del equilibrio ayuda a proporcionar un punto de referencia común con el que todos los químicos pueden relacionarse.

"¿Cómo debo pensar sobre el voltaje? ¿Qué es el sobrepotencial?": Establecimiento de una intuición de química orgánica para la electroquímica (JOC, 2021)

El análisis termodinámico se aplica a menudo para cuantificar la eficiencia energética de pilas y pilas de electrólisis. Un reciente artículo de revisión en el Revista de fuentes de energía [6] destaca definiciones divergentes para el coeficiente de eficiencia energética de la literatura académica e industrial. El artículo proporciona derivaciones en varias condiciones y recuerda a los lectores que tanto la electricidad y el calor debe tenerse en cuenta en el análisis.

Una revisión crítica sobre la definición utilizada para calcular los coeficientes de eficiencia energética de las celdas de electrólisis de agua que trabajan en condiciones de temperatura cercana a la ambiente. (J Fuentes de energía, 2020)

Resumen

Los artículos destacados en esta publicación de blog representan solo una pequeña fracción de los muchos recursos disponibles para construir un entendimiento común y una mejor colaboración entre todos los investigadores que trabajan en la mejora de las tecnologías de hidrógeno verde. Cuando la pandemia de COVID cerró el trabajo de laboratorio y los viajes de muchas personas, la comunidad de investigación continuó con entusiasmo.

Los seminarios en línea y los grupos de trabajo que se llevan a cabo abiertamente y sin costo han reunido a científicos de todas las disciplinas y de todo el mundo. por ejemplo, el Coloquio electroquímico en línea se inició en 2021. Esta serie continua de conferencias aborda temas esenciales en electroquímica al proporcionar contenido educativo junto con la perspectiva personal de oradores expertos.

Coloquio electroquímico en línea

Tus conocimientos para llevar

AN-EC-027: Medición del potencial en el contraelectrodo con VIONIC impulsado por INTELLO: un estudio de caso sobre platino redox en medios ácidos

AN-EC-003: Caída óhmica Parte 1 - Principios básicos

AN-EC-004: Caída óhmica Parte 2 - Medición

AN-EC-007: Diferencias entre escaneos digitales, escaneos analógicos e integración de señales

Referencias

1. Reducción del costo del hidrógeno verde: ampliación de los electrolizadores para alcanzar el objetivo climático de 1,5 °C; Agencia Internacional de Energías Renovables: Abu Dabi, 2020.
2. McCrory, C. C. l.; Jung, S.; Peters, J. C.; et al. Evaluación comparativa de electrocatalizadores heterogéneos para la reacción de evolución de oxígeno. j Soy. química Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
3. Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; et al. Cómo informar de forma fiable el sobrepotencial de un electrocatalizador. ACS Energía Lett. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylett.0c00321
4. Jerkiewicz, G. Electrodos de hidrógeno estándar y reversibles: teoría, diseño, funcionamiento y aplicaciones. Catálogo ACS. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
5. Nuting, J. MI.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. GRAMO.; et al. “¿Cómo debo pensar sobre el voltaje? ¿Qué es el sobrepotencial?”: Establecimiento de una intuición de química orgánica para la electroquímica. j org. química 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
6. Lamy, C.; mijo, p. Una revisión crítica de las definiciones utilizadas para calcular los coeficientes de eficiencia energética de las celdas de electrólisis de agua que trabajan en condiciones de temperatura cercana a la ambiente. j Fuentes de energía 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350