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Electrólisis de agua alcalina

La electrólisis de agua alcalina es un tipo de electrolizador que se caracteriza por tener dos electrodos que operan en un electrolito alcalino líquido. Comúnmente, se utiliza una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH) al 25-40 % en peso. [6] Estos electrodos están separados por un diafragma, que separa los gases del producto y transporta los iones de hidróxido (OH − ) de un electrodo al otro. [4] [7] Una comparación reciente mostró que los electrolizadores de agua de última generación a base de níquel con electrolitos alcalinos conducen a eficiencias competitivas o incluso mejores que la electrólisis de agua con membrana de electrolito polimérico ácido con electrocatalizadores a base de metales del grupo del platino. [8]

La tecnología tiene una larga historia en la industria química. La primera demanda a gran escala de hidrógeno surgió a finales del siglo XIX para aviones más ligeros que el aire y, antes de la llegada del reformado con vapor en la década de 1930, la técnica era competitiva. [ cita requerida ]

Las tecnologías basadas en hidrógeno han evolucionado significativamente desde el descubrimiento inicial del hidrógeno y su aplicación temprana como gas flotante hace aproximadamente 250 años. En 1804, el inventor suizo Francois Isaac de Rivaz obtuvo una patente para el primer vehículo propulsado por hidrógeno. Este prototipo, equipado con un diseño de cuatro ruedas, utilizaba un motor de combustión interna (MCI) alimentado por una mezcla de gases de hidrógeno y oxígeno. El combustible de hidrógeno se almacenaba en un globo y el encendido se lograba mediante un motor de arranque eléctrico conocido como motor de arranque Volta. El proceso de combustión impulsaba el pistón dentro del cilindro, que, al descender, activaba una rueda a través de un mecanismo de trinquete. Esta invención podría considerarse como una realización temprana de un sistema que comprendía almacenamiento de hidrógeno, conductos, válvulas y un dispositivo de conversión. [9]

Aproximadamente cuatro décadas después de que el científico militar Ritter desarrollara el primer electrolizador, los químicos Schoenbein y Sir Grove identificaron y expusieron de forma independiente el concepto de pila de combustible. Esta tecnología funciona en sentido inverso a la electrólisis alrededor del año 1839. Este descubrimiento marcó un hito importante en el campo de la tecnología del hidrógeno, demostrando el potencial del hidrógeno como fuente de energía limpia. [9]

Estructura y materiales

Esquema de electrolizadores de agua alcalina. Los catalizadores se añaden al ánodo y al cátodo para reducir el sobrepotencial. [10]

Los electrodos están separados típicamente por una lámina porosa delgada, comúnmente llamada diafragma o separador. El diafragma no es conductor de electrones, evitando así cortocircuitos eléctricos entre los electrodos mientras permite pequeñas distancias entre los electrodos. La conductividad iónica es suministrada por la solución alcalina acuosa, que penetra en los poros del diafragma. Los diafragmas de amianto se han utilizado durante mucho tiempo debido a su separación efectiva de gases, bajo costo y alta estabilidad química; sin embargo, su uso está restringido por la Convención de Rotterdam . [11] El diafragma de última generación es Zirfon, un material compuesto de zirconia y polisulfona . [12] El diafragma evita además la mezcla del hidrógeno y el oxígeno producidos en el cátodo y el ánodo, [13] [14] respectivamente. El espesor de los diafragmas de amianto varía de 2 a 5 mm, mientras que los diafragmas de zirfón varían de 0,2 a 0,5 mm. [11]

Por lo general, los metales a base de níquel se utilizan como electrodos para la electrólisis del agua alcalina. [15] Si se consideran los metales puros, el níquel es el metal no noble menos activo. [16] El alto precio de los buenos electrocatalizadores de metales nobles, como los metales del grupo del platino, y su disolución durante la evolución del oxígeno [17] es un inconveniente. El níquel se considera más estable durante la evolución del oxígeno, [18] pero el acero inoxidable ha demostrado una buena estabilidad y una mejor actividad catalítica que el níquel a altas temperaturas durante la reacción de evolución del oxígeno (OER) . [5]

Los catalizadores de Ni de gran área superficial se pueden lograr mediante la desaleación de aleaciones de níquel-cinc [5] o níquel-aluminio en solución alcalina, comúnmente conocida como níquel Raney . En las pruebas de celdas, los electrodos con mejor rendimiento informados hasta ahora consistieron en aleaciones de Ni rociadas al vacío con plasma sobre mallas de Ni [19] [20] y mallas de Ni galvanizadas por inmersión en caliente. [21] El último enfoque puede ser interesante para la fabricación industrial a gran escala, ya que es barato y fácilmente escalable, pero desafortunadamente, todas las estrategias muestran cierta degradación. [22]

Electroquímica

Reacción del ánodo

En las reacciones de evolución de oxígeno en medios alcalinos intervienen múltiples especies adsorbentes (O, OH, OOH y OO – ) y múltiples pasos. Los pasos 4 y 5 suelen ocurrir en un solo paso, pero hay evidencia que sugiere que los pasos 4 y 5 ocurren por separado a pH 11 y superior. [23] [24]

Donde los * indican especies adsorbidas a la superficie del catalizador.

Reacción catódica

La reacción de evolución de hidrógeno en condiciones alcalinas comienza con la adsorción y disociación de agua en el paso de Volmer y la desorción de hidrógeno en el paso de Tafel o en el paso de Heyrovsky.

Ventajas en comparación con la electrólisis de agua PEM

En comparación con la electrólisis de membrana de intercambio de protones , las ventajas de la electrólisis de agua alcalina son principalmente: [25]

  1. Catalizadores más baratos con respecto a los catalizadores basados ​​en el grupo metálico del platino utilizados para la electrólisis de agua PEM.
  2. Mayor durabilidad gracias a un electrolito intercambiable y menor disolución del catalizador anódico.
  3. Mayor pureza del gas debido a una menor difusividad del gas en electrolitos alcalinos.

Desventaja

Una desventaja de los electrolizadores de agua alcalina son los perfiles de bajo rendimiento causados ​​por los diafragmas gruesos comúnmente utilizados que aumentan la resistencia óhmica, la menor conductividad intrínseca de OH− en comparación con H+ y el mayor cruce de gases observado para diafragmas altamente porosos. [25]

Referencias

  1. ^ Divisek, J.; Schmitz, H. (1 de enero de 1982). "Una celda bipolar para la electrólisis avanzada del agua alcalina". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 7 (9): 703–710. doi :10.1016/0360-3199(82)90018-0.
  2. ^ Shiva Kumar, S.; Lim, Hankwon (noviembre de 2022). "Una descripción general de las tecnologías de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno verde". Energy Reports . 8 : 13793–13813. Bibcode :2022EnRep...813793S. doi : 10.1016/j.egyr.2022.10.127 . S2CID  253141292.
  3. ^ David, Martín; Ocampo-Martínez, Carlos; Sánchez-Peña, Ricardo (junio de 2019). "Avances en electrolizadores de agua alcalina: una revisión". Revista de almacenamiento de energía . 23 : 392–403. doi : 10.1016/j.est.2019.03.001. hdl : 2117/178519 . S2CID  140072936.
  4. ^ abcdefghijklmn Carmo, M; Fritz D; Mergel J; Stolten D (2013). "Una revisión exhaustiva sobre la electrólisis del agua mediante PEM". Revista de energía del hidrógeno . 38 (12): 4901. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  5. ^ abcd Colli, AN; et al. (2019). "Electrodos no preciosos para la electrólisis práctica del agua alcalina". Materiales . 12 (8): 1336. Bibcode :2019Mate...12.1336C. ​​doi : 10.3390/ma12081336 . PMC 6515460 . PMID  31022944. 
  6. ^ Chatenet, Marian; Pollet, Bruno G.; Dekel, Dario R.; Dionigi, Fabio; Deseure, Jonathan; Millet, Pierre; Braatz, Richard D.; Bazant, Martin Z.; Eikerling, Michael; Staffell, Iain; Balcombe, Paul; Shao-Horn, Yang; Schäfer, Helmut (2022). "Electrólisis del agua: del conocimiento de los libros de texto a las últimas estrategias científicas y desarrollos industriales". Chemical Society Reviews . 51 (11): 4583–4762. doi :10.1039/d0cs01079k. PMC 9332215 . PMID  35575644. 
  7. ^ "Electrólisis del agua alcalina" (PDF) . Portadores de energía y sistemas de conversión . Consultado el 19 de octubre de 2014 .
  8. ^ Schalenbach, M; Tjarks G; Carmo M; Lueke W; Mueller M; Stolten D (2016). "¿Ácido o alcalino? Hacia una nueva perspectiva sobre la eficiencia de la electrólisis del agua". Revista de la Sociedad Electroquímica . 163 (11): F3197. doi : 10.1149/2.0271611jes . S2CID  35846371.
  9. ^ ab Jordan, Thomas (2022), "Tecnologías del hidrógeno", Seguridad del hidrógeno para aplicaciones energéticas , Elsevier, págs. 25-115, doi :10.1016/b978-0-12-820492-4.00005-1, ISBN 978-0-12-820492-4, consultado el 27 de abril de 2024
  10. ^ Zeng, Kai; Zhang, Dongke (junio de 2010). "Progreso reciente en la electrólisis de agua alcalina para la producción y aplicaciones de hidrógeno". Progreso en la ciencia de la energía y la combustión . 36 (3): 307–326. doi :10.1016/j.pecs.2009.11.002.
  11. ^ ab Smolinka, Tom (2021). Fuentes de energía electroquímica: fundamentos, sistemas y aplicaciones: producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua . Elsevier. ISBN 978-0-12-819424-9.
  12. ^ "Especificación del producto AGFA Zirfon Perl". Archivado desde el original el 23 de abril de 2018. Consultado el 29 de enero de 2019 .
  13. ^ Schalenbach, M; Lueke W; Stolten D (2016). "Difusividad de hidrógeno y permeabilidad de electrolitos del separador Zirfon PERL para electrólisis de agua alcalina" (PDF) . Revista de la Sociedad Electroquímica . 163 (14): F1480–F1488. doi :10.1149/2.1251613jes. S2CID  55017229.
  14. ^ Haug, P; Koj M; Turek T (2017). "Influencia de las condiciones del proceso en la pureza del gas en la electrólisis del agua alcalina". Revista internacional de energía del hidrógeno . 42 (15): 9406–9418. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.12.111.
  15. ^ Zhou, Daojin; Li, Pengsong; et al. (2020). "Avances recientes en electrodos basados ​​en metales no preciosos para la electrólisis del agua alcalina". ChemNanoMat . 6 (3): 336–355. doi :10.1002/cnma.202000010. ISSN  2199-692X. S2CID  213442277.
  16. ^ Quaino, P; Juárez F; Santos E; Schmickler W (2014). "Gráficos de volcanes en electrocatálisis de hidrógeno: usos y abusos". Beilstein Journal of Nanotechnology . 42 : 846–854. doi :10.3762/bjnano.5.96. PMC 4077405 . PMID  24991521. 
  17. ^ Schalenbach, M; et al. (2018). "La disolución electroquímica de metales nobles en medios alcalinos". Electrocatálisis . 9 (2): 153–161. doi :10.1007/s12678-017-0438-y. S2CID  104106046.
  18. ^ Cherevko, S; et al. (2016). "Reacciones de evolución de oxígeno e hidrógeno en electrodos de película delgada de Ru, RuO2, Ir e IrO2 en electrolitos ácidos y alcalinos: un estudio comparativo sobre actividad y estabilidad". Catalysis Today . 262 : 170–180. doi :10.1016/j.cattod.2015.08.014.
  19. ^ Schiller, G; Henne R; Borock V (1995). "Pulverización de plasma al vacío de electrodos de alto rendimiento para electrólisis de agua alcalina". Revista de tecnología de pulverización térmica . 4 (2): 185. Bibcode :1995JTST....4..185S. ​​doi :10.1007/BF02646111. S2CID  137144045.
  20. ^ Schiller, G; Henne R; Mohr P; Peinecke V (1998). "Electrodos de alto rendimiento para un electrolizador de agua alcalina de 10 kW de funcionamiento intermitente avanzado". Revista internacional de energía del hidrógeno . 23 (9): 761–765. doi :10.1016/S0360-3199(97)00122-5.
  21. ^ Schalenbach, M; et al. (2018). "Un electrolizador de agua alcalina con electrodos de níquel permite un funcionamiento eficiente con alta densidad de corriente". Revista internacional de energía del hidrógeno . 43 (27): 11932–11938. doi :10.1016/j.ijhydene.2018.04.219. S2CID  103477803.
  22. ^ Esfandiari, N; et al. (2024). "Cátodos a base de metal para la producción de hidrógeno mediante electrólisis de agua alcalina: revisión de materiales, mecanismo de degradación y pruebas de durabilidad". Progreso en la ciencia de los materiales . 143 : 101254. doi :10.1016/j.pmatsci.2024.101254.
  23. ^ Scott, Keith (2020). Métodos electroquímicos para la producción de hidrógeno . Cambridge: Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-78801-378-9.
  24. ^ Diaz-Morales, Oscar; Ferrus-Suspedra, David; Koper, Marc TM (2016). "La importancia de la desprotonación del oxihidróxido de níquel en su actividad hacia la oxidación electroquímica del agua". Chemical Science . 7 (4): 2639–2645. doi : 10.1039/C5SC04486C . PMC 5477031 . PMID  28660036. 
  25. ^ ab Martínez-Rodríguez, Angel; Abánades, Alberto (noviembre de 2020). "Análisis comparativo del rendimiento energético y exergético de los métodos de producción de hidrógeno". Entropy . 22 (11): 1286. Bibcode :2020Entrp..22.1286M. doi : 10.3390/e22111286 . ISSN  1099-4300. PMC 7712718 . PMID  33287054.