Nuevo sistema innovador puede convertir el agua de mar en combustible

Mar 14, 2023

Por SLAC National Accelerator Laboratory30 de mayo de 2023

Una representación del sistema de membrana bipolar del equipo que convierte el agua de mar en gas hidrógeno. Crédito: Nina Fujikawa/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC

El cóctel de elementos en el agua de mar, incluidos hidrógeno, oxígeno, sodio y otros, es esencial para la vida en la Tierra. Sin embargo, esta composición química intrincada plantea un desafío cuando se intenta separar el gas de hidrógeno para aplicaciones de energía sostenible.

Recientemente, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, la Universidad de Oregón y la Universidad Metropolitana de Manchester ha descubierto un método para extraer hidrógeno del océano. Lo logran canalizando agua de mar a través de un sistema de doble membrana y electricidad.

Su diseño innovador resultó exitoso en la generación de gas hidrógeno sin producir grandes cantidades de subproductos dañinos. Los resultados de su estudio, publicados recientemente en la revista Joule, podrían ayudar a avanzar en los esfuerzos para producir combustibles bajos en carbono.

"Muchos sistemas de conversión de agua en hidrógeno en la actualidad intentan usar una membrana monocapa o de una sola capa. Nuestro estudio reunió dos capas", dijo Adam Nielander, científico asociado del Centro SUNCAT para la ciencia de la interfaz y la catálisis, un SLAC-Stanford. instituto mixto. "Estas arquitecturas de membrana nos permitieron controlar la forma en que se movían los iones en el agua de mar en nuestro experimento".

El gas hidrógeno es un combustible bajo en carbono que actualmente se usa de muchas maneras, como para hacer funcionar vehículos eléctricos de celda de combustible y como una opción de almacenamiento de energía de larga duración, que es adecuada para almacenar energía durante semanas, meses o más, para electricidad. rejillas

Muchos intentos de hacer que el gas de hidrógeno comiencen con agua dulce o desalinizada, pero esos métodos pueden ser costosos y consumir mucha energía. Es más fácil trabajar con agua tratada porque tiene menos elementos (elementos químicos o moléculas) flotando. Sin embargo, purificar el agua es costoso, requiere energía y agrega complejidad a los dispositivos, dijeron los investigadores. Otra opción, el agua dulce natural, también contiene una serie de impurezas que son problemáticas para la tecnología moderna, además de ser un recurso más limitado en el planeta, dijeron.

Para trabajar con agua de mar, el equipo implementó un sistema de membrana bipolar o de dos capas y lo probó usando electrólisis, un método que usa electricidad para impulsar iones, o elementos cargados, para ejecutar una reacción deseada. Comenzaron su diseño controlando el elemento más dañino para el sistema de agua de mar: el cloruro, dijo Joseph Perryman, investigador postdoctoral de SLAC y Stanford.

"There are many reactive speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">especies en el agua de mar que pueden interferir con la reacción de agua a hidrógeno, y el cloruro de sodio que hace que el agua de mar sea salada es uno de los principales culpables", dijo Perryman. "En particular, el cloruro que llega al ánodo y se oxida reducirá la vida útil de un sistema de electrólisis y en realidad puede volverse inseguro debido a la naturaleza tóxica de los productos de oxidación que incluyen cloro molecular y lejía".

La membrana bipolar en el experimento permite el acceso a las condiciones necesarias para producir gas hidrógeno y evita que el cloruro llegue al centro de reacción.

"Básicamente estamos duplicando las formas de detener esta reacción de cloruro", dijo Perryman.

El sistema de membrana ideal realizaría tres funciones principales: separar los gases de hidrógeno y oxígeno del agua de mar; ayudar a mover solo los iones de hidrógeno e hidróxido útiles mientras restringe otros iones de agua de mar; y ayudar a prevenir reacciones no deseadas. Capturar los tres juntos es difícil, y la investigación del equipo está dirigida a explorar sistemas que puedan combinar eficientemente las tres necesidades.

Específicamente en su experimento, los protones, que eran los iones de hidrógeno positivos, pasan a través de una de las capas de la membrana a un lugar donde pueden recolectarse y convertirse en hidrógeno gaseoso al interactuar con un electrodo cargado negativamente. La segunda membrana del sistema sólo permite el paso de iones negativos, como el cloruro.

Como barrera adicional, una capa de la membrana contiene grupos cargados negativamente que están fijados a la membrana, lo que dificulta que otros iones cargados negativamente, como el cloruro, se muevan a lugares donde no deberían estar, dijo Daniela Marin, graduada de Stanford. estudiante de ingeniería química y coautor. La membrana con carga negativa demostró ser muy eficaz para bloquear casi todos los iones de cloruro en los experimentos del equipo, y su sistema funcionó sin generar subproductos tóxicos como lejía y cloro.

Junto con el diseño de un sistema de membrana de agua de mar a hidrógeno, el estudio también proporciona una mejor comprensión general de cómo los iones de agua de mar se mueven a través de las membranas, dijeron los investigadores. Este conocimiento también puede ayudar a los científicos a diseñar membranas más fuertes para otras aplicaciones, como la producción de oxígeno gaseoso.

"También hay cierto interés en usar la electrólisis para producir oxígeno", dijo Marin. "Comprender el flujo de iones y la conversión en nuestro sistema de membrana bipolar también es fundamental para este esfuerzo. Además de producir hidrógeno en nuestro experimento, también mostramos cómo usar la membrana bipolar para generar gas oxígeno".

A continuación, el equipo planea mejorar sus electrodos y membranas construyéndolos con materiales más abundantes y fáciles de extraer. Esta mejora de diseño podría hacer que el sistema de electrólisis sea más fácil de escalar a un tamaño necesario para generar hidrógeno para actividades de uso intensivo de energía, como el sector del transporte, dijo el equipo.

Los investigadores también esperan llevar sus celdas de electrólisis a la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, donde pueden estudiar la estructura atómica de los catalizadores y las membranas utilizando los rayos X intensos de la instalación.

"El futuro es brillante para las tecnologías de hidrógeno verde", dijo Thomas Jaramillo, profesor de SLAC y Stanford y director de SUNCAT. "Los conocimientos fundamentales que estamos obteniendo son clave para informar futuras innovaciones para mejorar el rendimiento, la durabilidad y la escalabilidad de esta tecnología".

Referencia: "Producción de hidrógeno con electrolizadores de membrana bipolar resistentes al agua de mar" por Daniela H. Marin, Joseph T. Perryman, McKenzie A. Hubert, Grace A. Lindquist, Lihaokun Chen, Ashton M. Aleman, Gaurav A. Kamat, Valerie A. Niemann, Michaela Burke Stevens, Yagya N. Regmi, Shannon W. Boettcher, Adam C. Nielander y Thomas F. Jaramillo, 11 de abril de 2023, Joule.DOI: 10.1016/j.joule.2023.03.005

Este proyecto cuenta con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos; el Acelerador de la Escuela de Sostenibilidad de Stanford Doerr; la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias del DOE a través del Centro SUNCAT para Ciencias de Interfaz y Catálisis, un instituto conjunto SLAC-Stanford; y la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible de Energía Renovable y Eficiencia Energética del DOE.