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Reacción de evolución del hidrógeno

La reacción de evolución de hidrógeno (HER) es una reacción química que produce H 2 . [1] La conversión de protones a H 2 requiere equivalentes reductores y, por lo general, un catalizador. En la naturaleza, la HER es catalizada por enzimas hidrogenasas . Los electrolizadores comerciales suelen emplear platino soportado como catalizador en el ánodo del electrolizador. La HER es útil para producir gas hidrógeno, lo que proporciona un combustible de combustión limpia. [2] Sin embargo, la HER también puede ser una reacción secundaria no deseada que compite con otras reducciones, como la fijación de nitrógeno , la reducción electroquímica de dióxido de carbono [3] o el cromado .

HER en electrólisis

La HER es una reacción clave que ocurre en la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno tanto para aplicaciones energéticas industriales [4] como para la investigación de laboratorio a pequeña escala. Debido a la abundancia de agua en la Tierra, la producción de hidrógeno plantea un proceso potencialmente escalable para la generación de combustible. Esta es una alternativa al reformado de metano con vapor [5] para la producción de hidrógeno, que tiene importantes emisiones de gases de efecto invernadero y, como tal, los científicos buscan mejorar y ampliar los procesos de electrólisis que tienen menos emisiones.

Mecanismo de electrólisis

En condiciones ácidas, la reacción de evolución del hidrógeno sigue la fórmula: [6]

En condiciones neutras o alcalinas, la reacción sigue la fórmula: [6]

Ambos mecanismos se pueden observar en las prácticas industriales en el lado del ánodo del electrolizador, donde se produce la evolución del hidrógeno. En condiciones ácidas, se denomina electrólisis de membrana de intercambio de protones o PEM , mientras que en condiciones alcalinas se denomina simplemente electrólisis alcalina . Históricamente, la electrólisis alcalina ha sido el método dominante de los dos, aunque la PEM ha comenzado a crecer recientemente debido a la mayor densidad de corriente que se puede lograr en la electrólisis PEM. [7]

Catalizadores para ELLA

El proceso HER es impulsado por electricidad y requiere un gran aporte de energía sin un catalizador altamente eficiente , que es un químico que reduce la energía de activación de una reacción sin consumirse. En los electrolizadores alcalinos, los catalizadores basados ​​en níquel y hierro para HER se utilizan típicamente en el ánodo. [8] La alcalinidad del electrolito en estos procesos permite el uso de catalizadores menos costosos [4] En los electrolizadores PEM, el catalizador estándar para HER es platino soportado sobre carbono, o Pt/C, [8] utilizado en el ánodo. El rendimiento de un catalizador se puede caracterizar por el nivel de adsorción de hidrógeno en los sitios de unión de la superficie del metal, así como por el sobrepotencial de la reacción a medida que aumenta la densidad de corriente. [4]

Desafíos

El alto costo y el alto consumo de energía de la electrólisis del agua plantean un desafío para la implementación a gran escala de la energía del hidrógeno. Si bien la electrólisis alcalina se usa comúnmente, su capacidad de densidad de corriente limitada requiere un gran consumo eléctrico, lo que plantea un problema tanto de costo como ambiental debido al alto contenido de carbono de la electricidad en muchos países, incluido Estados Unidos [9]. Los electrocatalizadores utilizados para la electrólisis de los electrolizadores PEM actualmente representan alrededor del 5% del costo total del proceso, sin embargo, a medida que este proceso se amplía, se predice que los costos de los catalizadores aumentarán debido a la escasez y se convertirán en un factor enorme en el costo de producción de hidrógeno. [10] Como tal, los materiales alternativos de bajo costo, alta eficiencia y escalables para los catalizadores HER en electrolizadores PEM son un punto de interés de investigación para los científicos.

Referencias

  1. ^ Zheng, Yao; Jiao, Yan; Vasileff, Anthony; Qiao, Shi-Zhang (2018). "La reacción de evolución del hidrógeno en solución alcalina: de la teoría, modelos monocristalinos, a electrocatalizadores prácticos". Angewandte Chemie International Edition . 57 (26): 7568–7579. doi : 10.1002/anie.201710556 . PMID  29194903.
  2. ^ Gray, Harry B. (2009). "Alimentar el planeta con combustible solar". Nature Chemistry . 1 (1): 7. Bibcode :2009NatCh...1....7G. doi : 10.1038/nchem.141 . PMID  21378780.
  3. ^ Sui, Yiming; Ji, Xiulei (2021). "Estrategias anticatalíticas para suprimir la electrólisis del agua en baterías acuosas". Chemical Reviews . 121 (11): 6654–6695. doi :10.1021/acs.chemrev.1c00191. PMID  33900728. S2CID  233409171.
  4. ^ abc Wang, Shan; Lu, Aolin; Zhong, Chuan-Jian (diciembre de 2021). "Producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua: papel de los catalizadores". Nano Convergence . 8 (1): 4. Bibcode :2021NanoC...8....4W. doi : 10.1186/s40580-021-00254-x . ISSN  2196-5404. PMC 7878665 . PMID  33575919. 
  5. ^ Sun, Pingping; Young, Ben; Elgowainy, Amgad; Lu, Zifeng; Wang, Michael; Morelli, Ben; Hawkins, Troy (18 de junio de 2019). "Contaminantes atmosféricos de criterio y emisiones de gases de efecto invernadero de la producción de hidrógeno en instalaciones de reformado de metano con vapor en EE. UU." Environmental Science & Technology . 53 (12): 7103–7113. Bibcode :2019EnST...53.7103S. doi :10.1021/acs.est.8b06197. ISSN  0013-936X. OSTI  1546962. PMID  31039312. S2CID  141483589.
  6. ^ ab Shih, Arthur J.; Monteiro, Mariana CO; Datila, Federico; Pavesi, Davide; Felipe, Mateo; da Silva, Alisson HM; Vos, Rafael E.; Ojha, Kasinath; Parque, Sunghak; van der Heijden, Onno; Marcandalli, Giulia; Goyal, Akansha; Villalba, Matías; Chen, Xiaoting; Gunasooriya, GT Kasun Kalhara (27 de octubre de 2022). "Electrólisis del agua". Imprimaciones de métodos de reseñas de la naturaleza . 2 (1): 1–19. doi :10.1038/s43586-022-00164-0. hdl : 1887/3512135 . ISSN  2662-8449. S2CID  253155456.
  7. ^ Carmo, Marcelo; Fritz, David L.; Mergel, Jürgen; Stolten, Detlef (22 de abril de 2013). "Una revisión exhaustiva sobre la electrólisis del agua mediante PEM". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 38 (12): 4901–4934. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. ISSN  0360-3199.
  8. ^ ab Guo, Yujing; Li, Gendi; Zhou, Junbo; Liu, Yong (1 de diciembre de 2019). "Comparación entre la producción de hidrógeno por electrólisis de agua alcalina y la producción de hidrógeno por electrólisis PEM". Serie de conferencias IOP: Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente . 371 (4): 042022. Bibcode :2019E&ES..371d2022G. doi : 10.1088/1755-1315/371/4/042022 . ISSN  1755-1307.
  9. ^ "Preguntas frecuentes (FAQ) - Administración de Información Energética de Estados Unidos (EIA)". www.eia.gov . Consultado el 21 de noviembre de 2023 .
  10. ^ Liu, Lifeng (1 de diciembre de 2021). "Nanocatalizadores libres de metales del grupo del platino para la electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones". Current Opinion in Chemical Engineering . 34 : 100743. doi : 10.1016/j.coche.2021.100743 . ISSN  2211-3398.