O hidróxeno verde está chamado a desempeñar un papel clave na transición enerxética. Dende 1975, a súa demanda mundial triplicouse e continúa en constante crecemento, superando actualmente os 70 millóns de toneladas anuais. Neste contexto, e para continuar o legado sostible, investigadores do Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago de Compostela (USC) desenvolven un sistema innovador baseado nanofibras de carbono capaces de controlar selectivamente a reacción química, logra producir hidróxeno verde a partir de urea —composto presente nos ouriños e noutras correntes residuais— con grande eficiencia, reducindo o consumo enerxético fronte a electrólise convencional de auga.
A investigación, publicada na prestixiosa revista Advanced Functional Materials, supón un gran avance, sobre todo para o equipo de María Giménez López, científica do CiQUS. Na electrólise convencional da auga, o hidróxeno prodúcese no cátodo, mentres que no ánodo ten lugar a evolución de osíxeno, unha reacción lenta que require un elevado aporte enerxético. O equipo do CiQUS propón substituír esta reacción pola oxidación de urea, que pode realizarse a un potencial eléctrico inferior.
Como alternativa, o equipo da USC emprega a valorización dos residuos: “Producimos hidróxeno acoplado ao reciclaxe dun composto que non se emprega, como a urea“, indica a investigadora. Así, substituír a oxidación da auga pola oxidación da urea presenta unha dobre vantaxe: reduce o potencial eléctrico necesario para producir hidróxeno e permite valorizar correntes residuais que conteñen este composto. O sistema acada unha eficiencia faradaica próximo ao 92% cara á formación de nitróxeno molecular (N₂), unha das cifras máis elevadas descritas para catalizadores baseados en níquel. Ademais, introduce un novo paradigma no deseño ao demostrar que o soporte pode participar activamente na reacción e controlar os produtos que se forman.
A superación dun desafío
O problema existente baseábase en que moitos catalizadores, ao oxidar urea, xeraban subprodutos como nitritos, nitratos e outros intermediarios contaminantes, reducindo a eficiencia enerxética. Con todo, o avance conseguiu un catalizador “altamente selectivo” que converte a urea en nitróxeno de forma limpa e sen contaminantes. A transformación no ánodo da urea a nitróxeno adoita ter valores elevados de nitróxeno molecular, nitratos e nitritos; neste caso, o novo catalizador consegue que preto do 92 % da carga eléctrica empregada na reacción se destine á formación de nitróxeno molecular (N₂), o produto máis limpo e ambientalmente seguro.
O hidróxeno verde constitúe un vector enerxético fundamental para avanzar cara a unha transición enerxética sen emisións directas de CO₂; é dicir, non é unha fonte primaria de enerxía, senón un medio para almacenar e transportar enerxía previamente capturada ou xerada. Neste caso, a electricidade necesaria para impulsar o proceso pode proceder de fontes renovables como a enerxía solar ou eólica.
“A electrólise de urea segue estando nunha fase inicial de desenvolvemento e aínda non existen solucións suficientemente eficientes para unha implantación industrial. Nos mellores sistemas baseados en níquel, a eficiencia faradaica cara á formación de nitróxeno molecular adoita situarse entre o 40-50%. Co noso sistema conseguimos alcanzar arredor dun 92%, o que supón un avance moi significativo cara a tecnoloxías máis eficientes e sostibles“, sinala María Giménez López.
Máis aló da elevada eficiencia alcanzada, o estudo introduce un novo concepto no campo da electrocatálise. Ata agora, o soporte dun catalizador considerábase un elemento practicamente pasivo, cuxa función era simplemente soster as partículas activas. O traballo do CiQUS demostra que ese soporte pode reorganizarse de forma dinámica durante a reacción, interactuar cos centros catalíticos e controlar o camiño que segue a reacción química, favorecendo a formación selectiva do nitróxeno molecular. Segundo os investigadores, este novo paradigma no deseño de electrocatalizadores podería aplicarse no futuro a numerosos procesos electroquímicos relacionados coa produción de combustibles limpos e produtos químicos sostibles.
Un proceso complexo e circular
O proceso funciona da seguinte forma: o sistema ten unha celda electroquímica que se compón de dous electrodos (cátodo e ánodo) sumerxidos nun electrolito e conectados a unha fonte de corrente continua. No cátodo prodúcese hidróxeno, mentres que no ánodo a urea se transforma preferentemente en nitróxeno molecular. Ao substituír a evolución de osíxeno pola oxidación de urea, redúcese a tensión necesaria para impulsar o proceso.
“Unha das súas vantaxes é a alimentación da economía circular e a redución da dependencia dos combustibles fósiles“, sinala Giménez-López. A urea é un desfeito que se transforma e acopla na produción de hidróxeno. “O proceso permite producir hidróxeno cun menor consumo enerxético que a electrólise convencional da auga, ademais de que o electrocatalizador non depende de ningún material precioso”, engade. Este sistema creado no CiQUS emprenga níquel, un metal de transición abundante, ademais de introducir unha innovación no que o soporte é activo: as nanofibras de carbono dopadas con xofre sobre as que se incorporan nanopartículas de níquel, adáptanse para que a transformación de urea sexa selectiva.
Futuras aplicacións
A principal aplicación desta tecnoloxía, máis eficiente e sostible, é “producir hidróxeno de forma descentralizada, alí onde existan correntes residuais ricas en urea”, sinala María Giménez-López. “Pensamos en instalacións asociadas ao tratamento de residuos procedentes da gandería, da industria ou das augas residuais urbanas, onde a urea poida aproveitarse para producir hidróxeno ao mesmo tempo que se trata ese residuo. Aínda estamos nunha fase de laboratorio, polo que os seguintes pasos serían aumentar a escala do sistema, validar o seu funcionamento con correntes residuais reais e avaliar a súa viabilidade para futuras aplicacións industriais“, conclúe.
