Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han creado un proceso electroquímico que permite separar hidrógeno puro del amoníaco, un compuesto líquido de fácil almacenamiento y transporte. Este avance podría facilitar el uso del hidrógeno en celdas de combustible, fabricación de semiconductores y procesos químicos. La técnica opera a temperaturas notablemente más bajas que los métodos convencionales, reduciendo el consumo energético y eliminando la necesidad de purificación posterior, según informó el portal oficial del instituto.
El sistema funciona a alrededor de 200 °C o 300 °C, muy por debajo de los más de 500 °C que demanda el craqueo tradicional del amoníaco para lograr altas tasas de reacción. Esta diferencia permite recuperar el gas en condiciones moderadas y ahorrar la energía que antes se destinaba a su purificación.
Los detalles del trabajo fueron publicados en la revista científica Nature. El estudio estuvo liderado por Yogesh Surendranath, profesor Donner de Ciencias y profesor de química e ingeniería química del MIT, como autor de correspondencia. El autor principal fue Rui Zeng, exinvestigador posdoctoral del MIT y actual profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el Instituto de Tecnología de Harbin, en Shenzhen, China.
El amoníaco como reserva líquida de hidrógeno
El hidrógeno es esencial en industrias como la de semiconductores y el procesamiento químico, además de funcionar como vector energético en celdas de combustible. No obstante, su uso a gran escala choca con la dificultad de distribuirlo eficientemente. El hidrógeno gaseoso requiere compresión o licuefacción, procesos poco prácticos. Una alternativa es almacenarlo químicamente en compuestos líquidos o fácilmente licuables, conocidos como portadores de hidrógeno, que retienen el gas y lo liberan donde se necesita.
El amoníaco (NH3) es uno de esos portadores, pues ya se produce y transporta a largas distancias. Sin embargo, liberar el hidrógeno no es sencillo: la descomposición o craqueo requiere altas temperaturas y genera una mezcla de hidrógeno, nitrógeno y amoníaco sin reaccionar que debe separarse antes de usar el gas en aplicaciones que exigen alta pureza.
“Queríamos saber si podíamos usar aportes eléctricos para impulsar una reacción de deshidrogenación que, de otro modo, sería desfavorable, y hacerlo simultáneamente de una manera que separara el hidrógeno de su portador, de modo que fuera muy puro y pudiera usarse directamente en una celda de combustible u otra aplicación que requiera una corriente de hidrógeno de alta pureza”, explicó Surendranath.
El diseño central combina una membrana de separación de paladio con un electrodo generador de hidrógeno y un electrolito de hidróxido fundido —una sustancia líquida que conduce electricidad dentro del sistema—. La membrana transporta selectivamente el hidrógeno e impide el paso de otros componentes de la mezcla.
El amoníaco se deshidrogena primero mediante un catalizador que contiene rutenio y cesio. Luego, el hidrógeno llega a la membrana, cuyo lado opuesto está en contacto con el electrolito fundido. La diferencia electroquímica a través de esa barrera actúa como un vacío que atrae al hidrógeno hacia el otro lado, proporcionando la fuerza para su transporte. Al cruzar la membrana, el gas se descompone en protones y electrones; los protones atraviesan el electrolito y los electrones circulan por un circuito externo, para recombinarse luego en un segundo electrodo y formar nuevamente hidrógeno gaseoso puro.
“Con este proceso electroquímico podemos bombear activamente hidrógeno desde una concentración baja hacia una concentración alta”, señaló Surendranath. La extracción continua favorece la reacción de deshidrogenación incluso cuando la presencia de hidrógeno la inhibiría.
Separación simultánea y aplicaciones industriales
La selectividad de la membrana permite obtener una corriente concentrada de hidrógeno sin purificación posterior. Esta característica modifica el entorno de la reacción y contribuye a que la recuperación pueda realizarse a menores temperaturas.
Curtis Berlinguette, profesor de química e ingeniería química y biológica de la Universidad de Columbia Británica, calificó el método como “una poderosa nueva forma” de obtener hidrógeno puro a partir de amoníaco y otros portadores. Berlinguette no participó en el estudio.
“Al usar electricidad para arrastrar el hidrógeno a través de la membrana a medida que se libera, aceleran la deshidrogenación del amoníaco y de los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno, mientras producen simultáneamente una corriente de hidrógeno purificada. Este es un avance importante para las ciencias de la energía porque abre una vía creíble para transportar hidrógeno en portadores químicos estables y liberarlo donde y cuando se necesita”, afirmó Berlinguette.
Además del amoníaco, los investigadores probaron la estrategia con metilciclohexano, una molécula que forma parte de los portadores orgánicos líquidos de hidrógeno (conocidos como LOHC), compuestos capaces de almacenar el gas para su posterior liberación.
El equipo prevé aplicaciones en automóviles, autobuses y barcos, así como en la producción de semiconductores y componentes electrónicos. El hidrógeno puro interviene en varias etapas de la fabricación de semiconductores, mejorando el rendimiento y reduciendo defectos en las superficies.
El paladio es un metal costoso, por lo que los investigadores buscan reducir la cantidad necesaria para la membrana. También trabajan en ampliar la escala del proceso y adaptarlo a otras reacciones de deshidrogenación con potencial industrial. La investigación recibió financiación de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos.
Fuente: Infobae