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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.


Acerca del hidrógeno

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,  y como reservorio de energía fácilmente transformable en electricidad mediante pilas de combustible. Esta tecnología está ya muy extendida, hay coches, camiones y barcos que usan hidrógeno en pilas de combustible, incluso drones.

Por esa razón, aunque la industria petroquímica vaya perdiendo importancia en el futuro, no es previsible que las necesidades de hidrógeno en la industria disminuyan de la misma forma. El problema, sin embargo, es que en la actualidad el 48% del hidrógeno que se consume proviene del reformado del metano,

CH4 + H2O → CO + 3 H2

y un 18% de la gasificación de carbón,

C + H2O → CO + H2

Ambos procesos son endotérmicos, y la enegía necesaria se obtiene quemando carbón o metano, lo que aumenta las emisiones de CO2. Y en ambos procesos el CO resultante se puede transformar en más hidrógeno desplazando el equilibrio:

CO + H2O → CO2 + H2

Naturalmente el hidrógeno se puede obtener también de la electrolisis del agua. Sin embargo este proceso consume mucha energía, lo que a día de hoy es mucho más caro que emitir CO2. Además la electrolisis tiene algunas dificultades graves. En primer lugar, la descarga de oxígeno es lenta, ya que implica el acoplamiento de radicales, y cuando su espín es antiparalelo la cinética está mecanocuánticamente prohibida, lo que limita la velocidad de descarga. Además, el sobrepotencial de la mayor parte de los electrodos hace que, en casi todoslos sistemas sea necesario usar electrodos de platino. El uso masivo de esta tecnología está limitado por las reservas mundiales de platino, muy escasas.

Una idea interesante es usar electrodos fotoquímicamente activos que permitan transformar, en el medio de reacción, la energía lumínica en una diferencia de potencial.

Una posible alternativa, es acoplar la electrolisis a la generación fotovoltaica de electricidad. Recientemente ha aparecido una excelente revisión sobre estas dos tecnologías (ver DOI: 10.1039/c8cs00699g).

También se está trabajando en el uso de materiales alternativos para sustituir los electrodos de platino, por ejemplo, usando nanopartículas alojadas en nanofibras de carbono, como María Giménez-López demostró en este artículo. El problema del emparejamiento de spin lo abordó el grupo de Galán Mascarós en un trabajo reciente.


Los cambios de El Cambio

El Secretario General de la ONU, António Guterres atiende a la prensa durante la Cumbre del Clima celebrada en NY en septiembre de 2019.&

El pasado 23 de septiembre se ha celebrado en Nueva York la cumbre sobre el Cambio Climático convocada por el presidente de las Naciones Unidas, António Guterres. La Cumbre del Clima ha venido precedida por una oleada de manifestaciones de jóvenes en todo el mundo, preocupados por un futuro que los climatólogos anuncian cálido, a ciencia cierta. En los principales países europeos los políticos, quizá alertados por la inusitada actividad de sus futuros votantes, anuncian medidas de urgencia para cumplir con los objetivos del Pacto de París, firmado ya hace cuatro años (sí, los políticos también lo dejan todo para el último día). Ante todo esto, la ciudadanía, perpleja, plantea preguntas simples del tipo ¿cómo hemos llegado a esto?, o ¿pero alguien sabe lo que tenemos que hacer?. La primera pregunta la dejo para los historiadores, que algún día analizarán las causas políticas y económicas por las que no se ha escuchado a los científicos. La segunda tiene una respuesta compleja. El problema actual es que los cambios sociales y económicos que requiere modificar la tendencia climática son de tal magnitud que no, nadie sabe cómo se puede manejar el problema sin causar graves desastres. No se puede suprimir el suministro de gas natural o de petróleo de un día para otro sin colapsar la economía de todo el planeta, ni se puede, prohibir el uso de productos sin proporcionar una alternativa. La buena noticia es que, al menos, sabemos en que dirección movernos: Debemos cambiar nuestra forma de obtener energía y nuestros medios de transporte, de forma que emitan el mínimo CO2 posible. Necesitamos también cambiar los materiales que usamos, de forma que su fabricación tenga menos coste energético, y a ser posible, que acumulen carbono procedente de la atmósfera. Debemos cambiar nuestros hábitos de comportamiento y consumo, y necesitamos cambiar las formas en que fabricamos, producimos, almacenamos y distribuimos los bienes de consumo. Esto es, necesitamos, en el mínimo tiempo posible, cambiarlo todo.

Proyecciones de incrementos de temperatura previstos para distintos grados de reducción de emisiones de CO2 UN Climate Change Annual Report 2017

Quisiera llamar la atención acerca de las consecuencias no estrictamente climatológicas de estos cambios. Esta transformación cultural será muy rápida, (¡ya lo está siendo!) y las sociedades que no se incorporen de forma eficiente quedarán fuera de las sociedades desarrolladas. Los organismos internacionales entienden que, para ser eficaces, las acciones contra el Cambio Climático deben limitar (o encarecer) el uso de algunos productos y tecnologías, que han de ser sustituidas por otras más avanzadas. La lucha contra el Cambio Climático es política, económica y social, y exacerba la competencia entre países tanto como incentiva la cooperación. Los países que desarrollen las tecnologías sustitutivas de las antiguas (fuentes de energía, tecnología de fabricación de bienes, transporte, tecnologías agrícolas etc.) saldrán fortalecidos, el resto disfrutarán de un planeta habitable (esperemos), pero económicamente saldrán debilitados.

Ante la opinión pública se está pasando por alto que la lucha contra el Cambio Climático es una lucha, y también una competición, intrínsecamente científicas. Porque no basta con decir lo que hay que mejorar, el problema real es saber hacerlo, y en muchos casos no sabemos. No basta con decir, por ejemplo, que hay que usar coches eléctricos, hay que saber de donde vamos a sacar los elementos químicos (tierras raras) con que se construyen sus motores, o que compuestos alternativos podemos usar en sus baterías, porque la demanda de la población mundial no puede ser atendida con la tecnología y los recursos disponibles actualmente. Desde un punto de vista científico es evidente la necesidad de una gran inversión en I+D en direcciones muy concretas: Debemos encontrar formas económicamente viables de separar CO2 y metano y de transformarlos en otros productos, hay que desarrollar nuevos materiales estructurales y tecnológicos y de consumo en cuya fabricación no solo no se emitan gases de efecto invernadero, si no que se consuman, hay que desarrollar formas de síntesis de materias primas mediante nuevos procesos con bajas emisiones de CO2 y hay que desarrollar sistemas de transformación de energía solar en energía química (particularmente en forma de hidrógeno) y eléctrica, así como nuevas y más eficientes formas de almacenar energía térmica y eléctrica. Nuestra sociedad debe impulsar, con urgencia, la investigación y el desarrollo de estas áreas para no quedarse descolgada del grupo de países desarrollados, para tener los técnicos formados que necesitaremos a corto plazo, y para contribuir a tomar conciencia de los cambios en nuestro comportamiento que requiere el Cambio Climático. Los políticos responsables deberían, con absoluta urgencia, potenciar la investigación científica, y conviene recordar que según los datos de la COSCE, la inversión ejecutada en I+D ha caído en España un 60% (¡eso son recortes!) en los años de la crisis sin que nuestros responsables políticos hayan entonado un “mea culpa” ni parpadeado siquiera.## La lucha contra el Cambio Climático no consiste en hacer declaraciones a la prensa, ni en organizar enormes y largas reuniones, consiste en rimer lugar en potenciar la investigación científica. Y los científicos tenemos la obligación de contribuir con nuestro mucho o poco conocimiento a encontrar soluciones viables a los problemas que esta transformación plantea. No hay nada más urgente, no hay nada más importante.


& Foto tomada de la web de UN de acuerdo con los términos de uso.

## Fuente: Informe COSCE. Análisis de los recursos destinados a I+D+i (Política de Gasto 46) contenidos en los Presupuestos Generales del Estado aprobados para el año 2018. Se puede encontrar en https://www.cosce.org/pdf/informeCOSCE_PGE2018_Aprobados.pdf

Este texto fue publicado en El Norte de Castilla el domingo 29 de septiembre de 2019 bajo el título Los cambios de El Cambio