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 .
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.
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]
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]
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.
