TECNOLOGÍA. Un dispositivo inteligente divide eficientemente el hidrógeno y el litio del agua de mar

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Un nuevo electrolizador de agua de mar extrae ingeniosamente hidrógeno (y un poco de litio) del agua de mar de manera tan eficiente como los electrolizadores comerciales de agua dulce, utilizando una técnica de evaporación inteligente. Universidad Tecnológica de Nanjing

Investigadores chinos dicen que han demostrado un electrolizador de agua de mar que funciona tan eficientemente como un electrolizador comercial de agua dulce durante meses sin corroerse hasta la muerte. También parece que estas máquinas también podrían recolectar litio.

17 diciembre 2022.- Un problema con el hidrógeno producido de forma renovable es que utiliza agua dulce, y con una cuarta parte de la población mundial que ya se enfrenta a una grave escasez de agua al menos un mes al año, el agua dulce es un recurso cada vez más finito y precioso. Por lo tanto, las tecnologías que pueden electrolizar el hidrógeno de la abundante agua de mar que cubre la mayor parte del planeta son un área vital de investigación.

En la actualidad sabemos cómo desalinizar el agua de mar y luego dividirla, pero no es una gran solución; la mayor parte de su energía de entrada se pierde en el proceso de desalinización, y eso hace subir el precio del hidrógeno que está produciendo. También hay muchas máquinas de electrólisis directa de agua de mar, pero la mayoría mueren demasiado rápido para ser útiles en un sentido comercial. Los iones de cloruro en el complejo brebaje oceánico se convierten en gas de cloro altamente corrosivo en el ánodo, y se come los electrodos y degrada los catalizadores hasta que la máquina deja de funcionar. 

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanjing de China creen que han encontrado una forma de solucionar este problema. En un estudio publicado en Nature el mes pasado, el equipo de Nanjing demostró una máquina de electrólisis directa de agua de mar que funcionó durante más de 3200 horas (133 días) sin fallar. Dicen que es eficiente, escalable y funciona como un divisor de agua dulce "sin un aumento notable en el costo de operación".

El electrolizador del equipo mantiene el agua de mar completamente separada del electrolito de hidróxido de potasio concentrado y los electrodos utilizan membranas baratas, impermeables, transpirables y antiincrustantes a base de PTFE. Estas membranas impiden el paso del agua líquida, pero dejan pasar el vapor de agua. La diferencia en la presión del vapor de agua entre el lado del agua de mar y el lado del electrolito "proporciona una fuerza impulsora para la gasificación (evaporación) espontánea del agua de mar en el lado del agua de mar".

A medida que el agua se divide en gases de hidrógeno y oxígeno fuera del electrolito, crea una diferencia de presión de vapor entre el electrolito y el agua de mar, lo que hace que el agua de mar se evapore espontáneamente y pase a través de la membrana impermeable. Universidad Tecnológica de Nanjing

Entonces, lo que obtienes es agua pura que se evapora rápidamente del agua de mar sin ningún aporte de energía adicional, luego cruza la membrana de PTFE y se absorbe en el electrolito como líquido. Según el equipo de Nanjing, deja pasar el agua y bloquea el 100 % de otros iones que podrían dañar los electrodos o la membrana.

El equipo probó una caja electrolizadora compacta de 11 celdas, del tamaño de un par de maletas medianas, en agua de mar de la bahía de Shenzhen. Generó unos 386 litros de gas hidrógeno por hora durante la prueba de 133 días, lo que parece mucho, pero si eso es a presión atmosférica estándar, 386 litros representan solo 31.652 gramos de hidrógeno. Poniendo eso en un contexto EV de celda de combustible y asumiendo que un automóvil conduce alrededor de 100 km con 1 kg de hidrógeno, este dispositivo de 11 celdas generó suficiente hidrógeno por hora para conducir un automóvil alrededor de 3,2 km. Aún así, es solo una pequeña unidad de prueba.

En términos de eficiencia, el electrolizador consumió alrededor de 5 kWh por cada metro cúbico normal (Nm 3 ) de hidrógeno producido. Dado que el hidrógeno transporta alrededor de 3.544 kWh de energía por Nm 3 , este electrolizador de agua de mar funciona con una eficiencia de aproximadamente el 71 %. Eso ciertamente está en línea con una gran cantidad de tecnología actual en materia de electrolizadores, aunque no se mantiene al día con algunos diseños hipereficientes emergentes, como el diseño de alimentación capilar con una eficiencia del 95 % de Hysata .

Es importante destacar que el dispositivo seguía funcionando a plena capacidad después de cuatro meses y medio en agua de mar, y el análisis posterior a la prueba no mostró "ningún aumento evidente en los iones de impureza" en el electrolito, "lo que sugiere una eficiencia de bloqueo de iones del 100 %" de la membrana de PTFE , y no había corrosión visible en las capas de catalizador. Los investigadores dicen que hay muchos caminos abiertos para explorar mejoras en el rendimiento ahora que se ha probado el principio básico para extraer agua dulce del agua de mar.

Además, también podría convertirse en una máquina de recolección de litioLos lectores con mejor memoria que la mía pueden recordar una historia que publicamos en 2020, en la que un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah de Arabia Saudita (KAUST) desarrolló y probó un dispositivo de electrolisis de agua de mar que también succionaba fosfato de litio del agua de mar utilizando membranas cerámicas especiales.

Es un sistema completamente diferente, pero el equipo de Nanjing hizo algunas pruebas para ver cómo su proceso de evaporación afectaba la concentración de litio en el agua de mar. Descubrieron un aumento significativo de 42 veces después de un par de cientos de horas, y pudieron precipitar algunos cristales de carbonato de litio, lo que sugiere que con un mayor desarrollo, estas máquinas podrían generar ingresos tanto del hidrógeno como de los metales de las baterías, lo que podría ser un gran impulso en términos de adopción comercial y escalamiento.

Fuente: Xie, H., Zhao, Z., Liu, T. et al. A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

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