Investigadores han desarrollado dos sistemas únicos, energéticamente eficientes y rentables, que utilizan la urea presente en la orina o en las aguas residuales para generar hidrógeno.
Estos sistemas únicos revelan nuevas vías para generar hidrógeno "verde" de forma económica, una fuente de energía sostenible y renovable, y el potencial para remediar los residuos nitrogenados en entornos acuáticos.
Normalmente, el hidrógeno se genera mediante electrólisis para separar el agua en oxígeno e hidrógeno. Se trata de una tecnología prometedora para ayudar a abordar la crisis energética mundial, pero el proceso requiere un alto consumo de energía, lo que lo hace prohibitivo en comparación con la extracción de hidrógeno de combustibles fósiles (hidrógeno gris), un proceso en sí mismo indeseable debido a las emisiones de carbono que genera.
A diferencia del agua, un sistema de electrólisis que genera hidrógeno a partir de urea consume mucha menos energía.
SUPERA LIMITACIONES EXISTENTES
A pesar de esta ventaja, los sistemas existentes basados en urea presentan varias limitaciones, como la baja cantidad de hidrógeno que se puede extraer y la generación de subproductos nitrogenados indeseables (nitratos y nitritos) que son tóxicos y compiten con la producción de hidrógeno, lo que reduce aún más la eficiencia general del sistema.
Investigadores del Centro de Excelencia para la Ciencia e Innovación del Carbono del Consejo Australiano de Investigación (COE-CSI) y de la Universidad de Adelaida han desarrollado dos sistemas de electrólisis basados en urea que superan estos problemas y permiten generar hidrógeno verde a un coste que, según han calculado, es comparable o inferior al de producir el hidrógeno gris convencional.
La investigación de cada sistema se publicó en artículos separados, uno en la revista Angewandte Chemie International Edition y el otro en Nature Communications
La producción de hidrógeno a partir de urea pura no es nueva, pero el equipo ha descubierto un proceso más accesible y rentable que utiliza la orina como fuente alternativa a la urea pura.
"Si bien no hemos resuelto todos los problemas, si estos sistemas se amplían, nuestros sistemas producen nitrógeno gaseoso inocuo en lugar de nitratos y nitritos tóxicos, y ambos sistemas consumirán entre un 20 % y un 27 % menos de electricidad que los sistemas de separación de agua", afirma el profesor Zheng.
"Necesitamos reducir el coste de la producción de hidrógeno, pero de forma neutra en carbono. El sistema de nuestro primer artículo, si bien utiliza un sistema único sin membranas y un novedoso catalizador a base de cobre, utiliza urea pura, que se produce mediante el proceso de síntesis de amoníaco de Haber-Bosch, que consume mucha energía y libera grandes cantidades de CO2.
Resolvimos esto utilizando una fuente ecológica de urea: la orina humana, que constituye la base del sistema examinado en nuestro segundo artículo", explicó.
TAMBIÉN DE AGUAS RESIDUALES
La orina o la urea también pueden provenir de aguas residuales con alto contenido de nitrógeno. Sin embargo, la orina en un sistema electrocatalítico presenta otro problema. Los iones de cloruro en la orina desencadenan una reacción que genera cloro y causa corrosión irreversible del ánodo del sistema, donde se produce oxidación y pérdida de electrones.
"En el primer sistema, desarrollamos un sistema de electrólisis de urea sin membranas innovador y altamente eficiente para la producción de hidrógeno a bajo coste. En este segundo sistema, desarrollamos un novedoso mecanismo de oxidación mediado por cloro que utiliza catalizadores a base de platino sobre soportes de carbono para generar hidrógeno a partir de la orina", afirma el profesor Qiao.
El platino es un metal caro, precioso y finito, y su creciente demanda como material catalítico es insostenible. Una misión fundamental del Centro de Excelencia ARC para la Ciencia e Innovación del Carbono es impulsar tecnologías transformadoras de catalizadores de carbono para las industrias energética y química tradicionales.
El equipo de la Universidad de Adelaida se basará en esta investigación fundamental mediante el desarrollo de catalizadores de metales no preciosos con soporte de carbono para la construcción de sistemas de tratamiento de orina y aguas residuales sin membranas, logrando una recuperación de hidrógeno verde a menor costo y, al mismo tiempo, remediando el entorno de las aguas residuales.
