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Electrolisis de agua en presencia de un campo magnético

A lo largo de 2019 han aparecido docenas de artículos sobresalientes, aportaciones a la Química que nos ayudan a entender el comportamiento de la materia y avances tecnológicos que nos harán la vida más fácil. Uno de los que más me han llamado la atención es el artículo del grupo J.R. Galán Mascarós publicado en Nature Energy (doi.org/10.1038/s41560-019-0404-4), sobre la producción de hidrógeno por electrolisis. Me llamó la atención inicialmente por la importancia del tema, y al acercarme descubrí un planteamiento sorprendentemente sencillo y original, y unos resultados muy interesantes.

La síntesis de hidrógeno es uno de los grandes problemas de la industria química. En 2011 se produjeron 234 miles de millones de metros cúbicos de hidrógeno, [ver “PEM water electrolysis.” Volume 1. D. Bessarabov y P. Millet, Editado por Bruno GPollet, Elsevier, 2018]. La mayor parte del hidrógeno, cerca del 80%,  lo consume la industria petroquímica. La síntesis de amoniaco también consume cantidades enormes, y también se usa en la síntesis de metanol, en metalurgia, industria alimentaria, electrónica…

Como he comentado en una entrada anterior, el hidrógeno tiene un papel extraordinariamente importante en los planes de lucha contra el cambio climático. Es necesario disponer de hidrógeno para transformar el CO2 en productos de interés industrial. El problema es que en la actualidad el hidrógeno se suele obtener en reacciones de reformado de metano o petroleo, y produce cantidades enormes de CO2. La facilidad con que se transforma la energía química del hidrógeno en electricidad mediante pilas de combustible ha llevado a proponer el uso de hidrógeno obtenido por electrolisis como forma de almacenar energía eléctrica procedente de fuentes renovables, particularmente la fotovoltaica que tiene una fuerte oscilación horaria.

En la actualidad hay dos tecnologías importantes de electrolisis de agua que se emplean a escala industrial: la tecnologia PEM (Polymer Electrolysis Membrane) y la electrolisis en medio alcalino. En la tecnología PEM la electrolisis se produce en medio ácido, los electrodos son de platino o iridio, que actúan como elecrocatalizadores, y están separados por una membrama semipermeable a los protones, típicamente de Nafion, que puede ser muy delgada. Los electrodos, sumergidos en agua, pueden estar en contacto directo con la membrana, lo que permite operar a alta presión. Este sistema permite también emplear corriente eléctrica con intensidad muy alta, de hasta 2 A/cm2, lo que facilita su uso para obtener hidrógeno a partir de fuentes renovables que producen electricidad con picos de intensidad frecuentes.

La electrolisis en medio básico emplea electrodos de níquel o de acero, baratos y fáciles de reemplazar, y la membrana suele ser un composite de óxidos de circonio con polisulfonas. Se pueden emplear electrodos con una superficie muy grande, lo que permite obtener un buen flujo de hidrógeno con intensidades de corriente relativamente bajas. La lentitud de la descarga de hidrógeno en estos sistemas se asocia a la lentitud de la reacción que se produce en el ánodo: la descarga de oxígeno. La molécula de oxígeno tiene dos electrones desemparejados, en estado triplete. La conservación de spin durante el acoplamiento de los dos átomos de oxígeno requiere que los dos radicales tengan el mismo estado de spin, de forma que el alineamiento de los spines limita la velocidad de reacción.

Y aquí es donde interviene el artículo del grupo de Galán Mascarós. Ellos han encontrado que la aplicación de un campo magnético (un imán de neodimio) sobre un ánodo de níquel, cuando se está produciendo la electrolisis aumenta mucho la velocidad de descarga de oxígeno (y la de hidrógeno en el cátodo, claro). Este efecto se puede apreciar muy claramente en el video, es más intenso cuanto más básica es la disolución que se electroiza, y apenas es observable a pH < 11. Los autores han analizado el efecto de distintos catalizadores. Se sabe que cuando se emplean ánodos de níquel la catálisis se debe a impurezas de hierro, pero ellos han usado compuestos conocidos de distintos tipos, encontrando que los catalizadores no magnéticos (IrO2) no se benefician del efecto del campo magnético, mientras que algunas espinelas y algunas ferritas muy ferrimagnéticas son las que más mejoran la velocidad de la reacción cuando se aplica el campo magnético.

Este artículo ha sido destacado en Chemistry World  y en C&EN.