En los residuos de la industria del Camarón podría estar el eslabón faltante para desplegar la Economía del Hidrógeno.

Equipo de investigadores de la Universidad de Ámsterdam (UvA), liderado por el Profesor Gadi Rothenberg, ha logrado un avance significativo en este campo mediante el desarrollo de catalizadores a base de esferas flexibles de quitosano.

El hidrógeno está llamado a ser el portador de energía del futuro, pero también presenta sus propios desafíos. Cuando se almacena como gas comprimido o en forma líquida, el hidrógeno molecular (H2) requiere un alto consumo de energía. Esto puede ser ventajoso en algunas aplicaciones, pero representa una preocupación de seguridad en otras. Para el almacenamiento y liberación a mediana escala en instalaciones móviles, como grúas, barcos y generadores, se necesitan otras formas de almacenar hidrógeno.

Existen muchas formas de portadores de hidrógeno. Ejemplos con alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno incluyen amoníaco, metanol, bioetanol, ácido fórmico y otros. Sin embargo, cada uno tiene sus ventajas y desventajas. El metanol tiene una alta capacidad (12.5% en peso), pero la deshidrogenación requiere altas temperaturas y puede emitir CO2. El amoníaco puede contaminar los flujos de H2 generados y es un gas tóxico en condiciones ambientales.

Como alternativa, los borohidruros alcalinos pueden proporcionar una fuente segura de hidrógeno, uniendo químicamente el hidrógeno en forma de una sal sólida. Una reacción con agua libera el hidrógeno, y el subproducto resultante de la sal metaborato puede ser reprocesado y reutilizado para el almacenamiento de hidrógeno.

Desde 2020, el equipo de Catálisis Heterogénea y Química Sostenible de la UvA ha estado investigando el uso de sales de borohidruro de metales alcalinos como posibles portadores de hidrógeno. Aunque estas sales sólidas pueden almacenarse con seguridad en condiciones ambientales y liberar hidrógeno solo cuando reaccionan con agua, controlar la liberación de hidrógeno de manera segura ha sido un desafío.

Una solución es estabilizar la solución con una base y controlar la liberación de hidrógeno mediante el uso de un catalizador. El equipo de la UvA está desarrollando tales catalizadores en colaboración con el Centro de Competencia Austriaco para la Tribología (AC2T) y la empresa Electriq Global.

Encontrar catalizadores potenciales es sencillo, pero lograr que funcionen el tiempo suficiente para ser comercialmente viables no lo es. La combinación de un pH de reacción elevado y la liberación continua de burbujas de hidrógeno destruye los catalizadores tradicionales en cuestión de días. Por ejemplo, el equipo logró diseñar partículas de catalizadores con alto contenido de cobalto, altamente activas y selectivas. Sin embargo, esta alta actividad resulta en la generación de grandes volúmenes de hidrógeno que destruyen rápidamente las partículas.

El quitosano, un polímero natural biodegradable y biocompatible que se puede obtener a partir de la quitina presente en los exoesqueletos de insectos y las cáscaras de crustáceos como camarones y cangrejos, parece ser la solución prometedora. Las esferas de quitosano han demostrado su capacidad para «expulsar» burbujas de hidrógeno sin romperse, lo que representa una característica clave para el almacenamiento y liberación segura del hidrógeno.

El avance llegó durante un experimento realizado en una tarde de viernes, cuando el estudiante de maestría Jeffrey Jonk y la estudiante de doctorado Fran Pope decidieron intentar encapsular partículas de cobalto en esferas de quitosano.

Los grupos de amina recurrentes en la estructura del quitosano hacen que sea altamente soluble en soluciones ácidas acuosas pero poco soluble en soluciones básicas. Por lo tanto, las esferas de quitosano pueden producirse relativamente fácilmente al verter el quitosano líquido en una solución básica. Una propiedad crucial de estas esferas es su flexibilidad, lo que les permite expandirse durante la generación de hidrógeno y «expulsar» las burbujas de hidrógeno sin romperse. Además, dado que se fabrican a un pH alto, la basicidad de la solución de borohidruro no representa un problema.

El equipo probó los nuevos catalizadores en modos de reacción por lotes y continuos, monitoreando las reacciones midiendo el flujo de hidrógeno generado. Unas esferas de unos pocos milímetros cargadas con un 7% de cobalto fueron suficientes para generar 40 ml de hidrógeno por minuto en un reactor continuo durante dos días, lo que demuestra el potencial real de este nuevo catalizador.

Según Rothenberg, este trabajo destaca la importancia de la estabilidad del catalizador como foco de investigación. «Muchos artículos se centran en la actividad y selectividad, porque las revistas se han enfocado en publicar resultados espectaculares», afirma. «Sin embargo, si observamos la industria química, ninguno de estos catalizadores ‘espectaculares’ se utiliza en la práctica. La razón es que lograr una reacción exitosa durante unas pocas horas, o incluso unos pocos días, no significa nada para procesos a gran escala. Un catalizador real debe funcionar durante meses y años para ser económicamente viable. Todavía no hemos llegado allí».

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