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May 26, 2023

Fabricar hidrógeno directamente a partir de agua de mar utilizando doble

24 de mayo de 2023 por David Krause ¿Se puede producir hidrógeno a partir de agua de mar? El método estándar requiere purificar el agua, lo cual es costoso y añade complejidad al dispositivo. David Krause en el

24 de mayo de 2023 por David Krause

¿Se puede producir hidrógeno a partir de agua de mar? El método estándar requiere purificar el agua, lo cual es costoso y añade complejidad al dispositivo.David Krause en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, Universidad de Stanforddescribe una nueva investigación que utilizaelectrólisis y una doble membrana directamente sobre el agua de mar para separar el cloruro y aislar el hidrógeno y los hidróxidos. . El sistemaFunciona sin generar subproductos tóxicos como lejía y cloro. . Para facilitar la ampliación del sistema, los investigadoresPlanear construir los electrodos y membranas con materiales que sean más abundantes y fáciles de extraer. . Las lecciones aprendidas también podrían permitirles diseñar membranas más resistentes para aislar otros gases, como el oxígeno.

La mezcla de hidrógeno, oxígeno, sodio y otros elementos del agua de mar la hace vital para la vida en la Tierra. Pero eso mismoLa química compleja ha dificultado la extracción de gas hidrógeno.para usos de energía limpia.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford, con colaboradores de la Universidad de Oregón y la Universidad Metropolitana de Manchester, han encontrado una manera deExtraer hidrógeno del océano canalizando agua de mar a través de un sistema de doble membrana y electricidad. . Su diseño innovador resultó exitoso en la generación de gas hidrógeno.sin producir grandes cantidades de subproductos nocivos . Los resultados de su estudio,publicado en julio, podría ayudar a avanzar en los esfuerzos para producir combustibles bajos en carbono.

“Hoy en día, muchos sistemas de conversión de agua en hidrógeno intentan utilizar una membrana monocapa o monocapa. Nuestro estudio unió dos capas”, dijo Adam Nielander, científico asociado del Centro SUNCAT para Ciencia de Interfaz y Catálisis, un instituto conjunto SLAC-Stanford. “Estas arquitecturas de membrana nos permitieron controlar la forma en que se movían los iones en el agua de mar.en nuestro experimento”.

El gas hidrógeno es un combustible con bajas emisiones de carbono que actualmente se utiliza de muchas maneras, como para hacer funcionar vehículos eléctricos de pila de combustible y como opción de almacenamiento de energía de larga duración (adecuada para almacenar energía durante semanas, meses o más) para redes eléctricas. .

Muchos intentos de producir gas hidrógeno comienzan con agua dulce o desalinizada. , pero esos métodos pueden ser costosos y consumir mucha energía. Es más fácil trabajar con agua tratada porque tiene menos elementos (elementos químicos o moléculas) flotando. Sin embargo, purificar el agua es costoso, requiere energía y añade complejidad a los dispositivos, dijeron los investigadores. Otra opción, el agua dulce natural, también contiene una serie de impurezas que son problemáticas para la tecnología moderna, además de ser un recurso más limitado en el planeta, dijeron.

Para trabajar con agua de mar, el equipo implementó un sistema de membrana bipolar o de dos capas y lo probó usandoelectrólisis , un método que utiliza electricidad para impulsar iones, o elementos cargados, para ejecutar una reacción deseada. Comenzaron su diseño porControlar el elemento más dañino para el sistema de agua de mar: el cloruro.– dijo Joseph Perryman, investigador postdoctoral de SLAC y Stanford.

Una representación del sistema de membrana bipolar del equipo que convierte el agua de mar en gas hidrógeno / IMAGEN: Nina Fujikawa/SLAC National Accelerator Laboratory

"Hay muchas especies reactivas en el agua de mar que pueden interferir con la reacción de agua a hidrógeno, y el cloruro de sodio que hace que el agua de mar sea salada es uno de los principales culpables", dijo Perryman. "En particular,El cloruro que llega al ánodo y se oxida reducirá la vida útil de un sistema de electrólisis.y en realidad puede volverse inseguro debido a latóxiconaturaleza de los productos de oxidación que incluyen cloro molecular y lejía”.

La membrana bipolar del experimento permite el acceso a las condiciones necesarias para producir gas hidrógeno y evita que el cloruro llegue al centro de reacción.

"Básicamente, estamos duplicando las formas de detener esta reacción de cloruro", dijo Perryman.

Un sistema de membrana ideal realiza tres funciones principales. : separa los gases de hidrógeno y oxígeno del agua de mar; ayuda a mover sólo los iones útiles de hidrógeno e hidróxido mientras restringe otros iones de agua de mar; y ayuda a prevenir reacciones no deseadas. Captar estas tres funciones juntas es difícil, y la investigación del equipo está dirigida a explorar sistemas que puedan combinar eficientemente estas tres necesidades.

Específicamente en su experimento, los protones, que eranlos iones de hidrógeno positivos, pasados ​​a través de una de las capas de la membranaa un lugar donde pudieran recolectarse y convertirse en gas hidrógeno interactuando con un electrodo o cátodo cargado negativamente.La segunda membrana del sistema permitía que sólo los iones negativos, como el cloruro, viajaran a través de ella..

Como respaldo adicional, una capa de membrana contenía grupos cargados negativamente que estaban fijados a la membrana, lo que hacía más difícil que otros iones cargados negativamente, como el cloruro, se movieran a lugares donde no deberían estar, dijo Daniela Marín, graduada de Stanford. Estudiante de ingeniería química y coautor. La membrana cargada negativamente demostró ser muy eficaz para bloquear casi todos los iones de cloruro en los experimentos del equipo y su sistema.Operado sin generar subproductos tóxicos como lejía y cloro..

Además de diseñar un sistema de membrana de agua de mar a hidrógeno, el estudio también proporcionó una mejor comprensión general de cómo se mueven los iones de agua de mar a través de las membranas, dijeron los investigadores. Este conocimiento podría ayudar a los científicos a diseñar membranas más resistentes también para otras aplicaciones, como la producción de oxígeno gaseoso.

"También existe cierto interés en utilizar la electrólisis para producir oxígeno", dijo Marin. “Comprender el flujo de iones y la conversión en nuestro sistema de membrana bipolar también es fundamental para este esfuerzo. Además de producir hidrógeno en nuestro experimento,También mostramos cómo usar la membrana bipolar para generar oxígeno gaseoso..”

Los investigadores recolectan agua de mar en Half Moon Bay, California, en enero de 2023 para un experimento que convirtió el líquido en combustible de hidrógeno. De izquierda a derecha: Joseph Perryman, investigador postdoctoral de SLAC y Stanford; Daniela Marín, estudiante de posgrado en ingeniería química de Stanford y coautora; Adam Nielander, científico asociado del SUNCAT, un instituto conjunto SLAC-Stanford; y Charline Rémy, académica visitante en SUNCAT / IMAGEN: Adam Nielander/SLAC National Accelerator Laboratory

A continuación, el equipo planea mejorar sus electrodos y membranas medianteconstruirlos con materiales que sean más abundantes y fáciles de extraer . Esta mejora de diseño podría hacer que el sistema de electrólisismás fácil de escalara un tamaño necesario para generar hidrógeno para actividades intensivas en energía, como el sector del transporte, dijo el equipo.

Los investigadores también esperan llevar sus células de electrólisis a la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón (SSRL) de Stanford de SLAC, donde podránEstudiar la estructura atómica de catalizadores y membranas.utilizando los intensos rayos X de la instalación.

“El futuro es brillante para las tecnologías de hidrógeno verde”, afirmó Thomas Jaramillo, profesor de SLAC y Stanford y director de SUNCAT. "Los conocimientos fundamentales que estamos obteniendo son clave para informar futuras innovaciones para mejorar el rendimiento, la durabilidad y la escalabilidad de esta tecnología".

Este proyecto cuenta con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.; el Acelerador de la Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr; la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias del DOE a través del Centro SUNCAT para Ciencias de Interfaz y Catálisis, un instituto conjunto SLAC-Stanford; y la Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible de Energía Renovable y Eficiencia Energética del DOE.

Cita: DH Marin, JT Perryman et al., Joule, 11 de abril de 2023 (https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.03.005)

Si tiene preguntas o comentarios, comuníquese con la Oficina de Comunicaciones de SLAC en [email protected].

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David Krausees Oficial de Comunicaciones Científicas en elLaboratorio Nacional del Acelerador SLAC, Universidad de Stanford

Este artículo se publica con permiso.

Filed Under: Energía, Hidrógeno Tagged With: cloruro, cloro, electrólisis, electrodos, hidrógeno, hidróxidos, membrana, agua de mar