La nueva estrella de la energía del hidrógeno: cómo una aleación de hierro y níquel en espuma transforma los electrolizadores de producción de hidrógeno

1. La nueva era del hidrógeno

Desde su descubrimiento en el siglo XVI, el hidrógeno ha sido considerado una fuente crucial de energía limpia debido a su abundancia, alta densidad energética y propiedades ecológicas y bajas en carbono.

Actualmente, los procesos de producción de hidrógeno se clasifican, según sus emisiones de carbono, en hidrógeno gris, hidrógeno azul e hidrógeno verde. Entre estos, el hidrógeno verde, producido mediante la electrolización del agua con energía renovable, no emite gases de efecto invernadero ni sustancias nocivas y presenta una alta pureza. Es el método más limpio de producción de hidrógeno y representa la principal dirección futura de la energía del hidrógeno.

El hidrógeno verde se obtiene principalmente a través deelectrólisis del agua, donde un electrolizador divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Actualmente existen cuatro tecnologías principales de electrolizadores: ALK (electrólisis de agua alcalina), PEM (electrólisis de membrana de intercambio de protones), SOEC (celda de electrólisis de óxido sólido) y AEM (electrólisis de polímero sólido).Ensobre la electrólisis de membrana de intercambio).

En el contexto de la neutralidad global de carbono, el hidrógeno verde se ha convertido sin duda en un área clave de la transición energética. La capacidad de la tecnología de electrolizadores para reducir aún más los costos y mejorar la eficiencia es crucial para su éxito futuro en este campo vital.

2. El pilar: los electrolizadores alcalinos

La electrólisis de agua alcalina (ALK) para la producción de hidrógeno se lleva a cabo en un entorno electrolítico alcalino, generalmente utilizando soluciones de KOH o NaOH. La principal ventaja de esta tecnología de electrólisis es que tanto las placas del ánodo como del cátodo no contienen metales preciosos.Metals, lo que resulta en el menor costo del electrolizador. Además, este tipo de electrolizador es el más maduro comercialmente, con amplia experiencia operativa, y domina el mercado. Los indicadores clave de rendimiento de algunos equipos nacionales críticos han alcanzado niveles avanzados a nivel internacional, ofreciendo una producción de hidrógeno a gran escala por celda, lo que los hace fácilmente adaptables a la electrólisis alimentada por la red eléctrica.

Un electrolizador alcalino consta principalmente de componentes como placas terminales, juntas, placas bipolares,ElectrodoPlacas y diafragmas. El electrolizador consta de decenas o incluso cientos de celdas de electrólisis, unidas mediante tornillos y placas terminales para formar una forma cilíndrica o cuadrada. Cada celda de electrólisis, delimitada por dos placas adyacentes, consta de seis partes: placas bipolares positiva y negativa, un electrodo anódico, un diafragma, una junta de sellado y un electrodo catódico.

Fundamentalmente, el electrodo del electrolizador alcalino es donde ocurren las reacciones electroquímicas y es clave para determinar la eficiencia de producción de hidrógeno del electrolizador. La mayoría de los electrodos utilizados en electrolizadores alcalinos domésticos de gran tamaño son de níquel, como malla de níquel puro, níquel espumado o sustratos de malla de níquel puro/níquel espumado recubiertos con catalizadores altamente activos. Entre estos, el níquel espumado es económico y un producto consolidado. Su material de electrodo está lleno de numerosos microporos, lo que ofrece una amplia superficie. Esto aumenta significativamente el área de contacto entre la solución y el electrodo, acorta la distancia de transferencia de masa y mejora considerablemente la eficiencia de la reacción de electrólisis.

Material de aleación de hierro y níquel espumosoSupera a los materiales tradicionales a base de níquel, proporcionando sitios de evolución de oxígeno más activos, y su eficiencia catalítica es significativamente mayor. Esto representa un avance decisivo para la electrólisis de agua alcalina, que ha logrado un mayor avance. Según pruebas acreditadas, en condiciones reales de trabajo, la eficiencia de la electrólisis de agua alcalina con espuma de hierro-níquel es superior a la de la malla de níquel tradicional. Según investigaciones nacionales e internacionales de vanguardia, el consumo de energía de CC puede ser tan bajo como 4,0-4,3 kWh/metro cúbico estándar, con una eficiencia energética que alcanza el 80-85 %.

3. El amanecer de los electrolizadores AEM

La electrólisis de agua con membrana de intercambio aniónico (AEM) de polímero sólido es un proceso de producción de hidrógeno que utiliza una membrana de intercambio aniónico de menor costo como separador, una solución alcalina de baja concentración o agua pura como electrolito y catalizadores de metales no preciosos para la reacción.

En los electrolizadores AEM, el ánodo generalmente está compuesto de óxidos de metales de transición (por ejemplo, óxido de níquel, óxido de cobalto), mientras que el cátodo generalmente está hecho de metales preciosos o sus aleaciones, como níquel, platino o paladio.

La reacción en el ánodo es: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O La reacción en el cátodo es: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Los 4OH− mencionados aquí son los aniones que se destacan en este proceso. Bajo la acción de la membrana de intercambio aniónico, el OH− producido en el cátodo puede migrar al ánodo, aumentando su concentración en el ánodo y generando más oxígeno y agua en el ánodo. Esto, naturalmente, produce un hidrógeno más puro en el cátodo.

La función principal de los materiales del cátodo y el ánodo es catalizar la reacción de disociación del agua y extraer eficientemente el hidrógeno y el oxígeno producidos. Por lo tanto, tanto los materiales del cátodo como del ánodo deben poseer una fuerte actividad catalítica y porosidad. Para que las reacciones en los electrodos se desarrollen sin problemas, los materiales del cátodo y el ánodo también deben tener una alta conductividad aniónica y electrónica.

Actualmente, los materiales catódicos más utilizados son las aleaciones de níquel, y los materiales anódicos son principalmente aleaciones de níquel-hierro. El hierro y el níquel no solo presentan una fuerte actividad catalítica para la separación de agua, sino que también son ampliamente disponibles y económicos. Dado que la AEM no opera en entornos altamente corrosivos, no requiere catalizadores de metales preciosos como el iridio o el titanio en los materiales del ánodo y el cátodo. Esto reduce significativamente el costo de fabricación de los equipos AEM, y su rendimiento no es inferior al de la tecnología PEM, convirtiéndola en la opción preferida para los nuevos electrolizadores de hidrógeno a nivel mundial.

4. Surfeando la ola: El ascenso deEspuma de hierro-níquel

Ya sea para la corriente principal ALK (electrólisis alcalina) o para la tecnología AEM emergente, la espuma de hierro-níquel ofrece ventajas de aplicación únicas y amplias perspectivas.

Características del material: Diseño revolucionario de malla 3D

• Área de superficie específica ultraalta:Con tamaños de poro de entre 20 y 450 μm y una porosidad ≥98 %, su área superficial activa es cientos de veces mayor que la de los electrodos planos. Esto aumenta significativamente la velocidad de reacción, aumenta drásticamente el área de contacto entre la solución y el electrodo, acorta la distancia de transferencia de masa y mejora considerablemente la eficiencia de la reacción de electrólisis.
• Catálisis eficazLa superficie de la espuma de hierro-níquel está recubierta con catalizadores a base de níquel y hierro. Estos catalizadores contribuyen a la reacción de electrólisis del agua, que la descompone en hidrógeno y oxígeno.
• Soporte estructural:La estructura tridimensional de la espuma de níquel proporciona un excelente soporte, ayudando a mantener la estabilidad y la integridad estructural del electrodo, garantizando un funcionamiento a largo plazo.
• Alta conductividad:Tanto el hierro como el níquel son buenos conductores eléctricos, y la estructura tridimensional de la espuma de hierro y níquel proporciona una gran área de superficie, lo que ayuda en la distribución de la corriente.

Aplicación de la capa catalizadora

Actualmente, las capas del catalizador del electrolizador incluyen principalmente:capa catalizadora de ánodo (OER-CL)y elcapa de catalizador de cátodo (HER-CL), que facilitan la reacción de evolución de oxígeno (REA) y la reacción de evolución de hidrógeno (ERE), respectivamente. Dado que tanto la REA como la ERE presentan inercia cinética, se suelen cargar catalizadores en los electrodos para mejorar la actividad de la reacción y reducir el consumo de energía. Esta es la función de la capa catalizadora (CL). Dado que los catalizadores a base de Ni muestran alta actividad y excelente resistencia a la corrosión en medios alcalinos, y son más estables que otros metales de transición (como Fe y Co), se utilizan ampliamente como catalizadores tanto de REA como de ERE. Debido a su alta afinidad por el oxígeno, el Fe tiende a adsorber especies OH− y, por lo tanto, se utiliza a menudo como promotor cinético de la REA.Material de aleación de níquel-hierro espumoso, que combina las propiedades de los metales NiFe, muestra ventajas significativas cuando se utiliza como material de ánodo para la producción de hidrógeno.

Aplicación de la capa de difusión

La capa de difusión de gases (GDL) se utiliza principalmente para la difusión de gases: hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo. Además, gracias a su conductividad metálica y térmica, facilita la transferencia de electrones y calor, por lo que se conoce como capa de transporte porosa (PTL). Actualmente, la espuma de níquel se utiliza ampliamente como material para la capa de difusión. Además, la espuma de hierro-níquel, de alta calidad y rentable, es ahora una opción más económica.