LG Chem anunció el desarrollo de una tecnología para electrólisis de agua de membrana de intercambio de protones (PEM) que permite una producción estable de hidrógeno a largo plazo utilizando únicamente una pequeña cantidad de iridio, un avance que acerca la comercialización de los materiales para la producción de hidrógeno verde de próxima generación.
La investigación, publicada a fines de julio en la revista Nature Communications, fue desarrollada por el equipo de investigación del Instituto de Investigación Tecnológica Básica de LG Chem.
La electrólisis PEM es considerada una tecnología de producción de hidrógeno verde de próxima generación debido a su alta productividad y excelente capacidad de respuesta a la producción fluctuante de energías renovables como la solar y la eólica.
A diferencia de otras tecnologías de electrólisis, la PEM opera a altas densidades de corriente y puede adaptarse rápidamente a la intermitencia de las fuentes renovables, lo que la convierte en la opción preferente para acoplar la generación de hidrógeno con parques solares y eólicos.
Sin embargo, su principal limitación ha sido el uso de catalizadores de iridio, un metal raro extremadamente costoso incluso entre los metales del grupo del platino y con reservas limitadas a nivel mundial.
El cuello de botella que frena la electrólisis PEM
La reducción del contenido de iridio, aunque abarata los costos iniciales de los electrolizadores, desencadena un efecto contraproducente: el catalizador se disuelve en el electrolito y la estructura del electrodo se degrada rápidamente, acortando su vida útil.
Este fenómeno, conocido como degradación por disolución, ocurre porque las partículas de iridio en la superficie del ánodo se oxidan excesivamente durante la operación en condiciones de alta densidad de corriente, liberándose al electrolito y perdiendo su actividad catalítica.
Como resultado, los fabricantes se ven forzados a utilizar grandes cantidades de iridio para asegurar una vida útil comercialmente viable, lo que eleva drásticamente los costos de los equipos. Este círculo vicioso de más iridio para mayor durabilidad, mayor costo inicial (y a la inversa), se ha convertido en el mayor obstáculo para la expansión comercial de la electrólisis PEM.
El mercado global de iridio es extremadamente reducido y su producción anual apenas supera las 7 toneladas métricas, la mayoría como subproducto de la minería de platino y paladio en Sudáfrica y Rusia.
Esta escasez de oferta hace que el precio del iridio sea altamente volátil y que cualquier aumento significativo en la demanda por parte de la industria de electrólisis podría disparar su cotización, encareciendo aún más la producción de hidrógeno verde.
Fotos: LG Chem
La solución de LG Chem
El equipo de investigación de LG Chem ha resuelto estos problemas mediante una tecnología de estabilización de interfase del catalizador que aplica una capa de recubrimiento a nivel atómico sobre la superficie de las partículas del catalizador de iridio.
Esta innovadora solución suprime la disolución del iridio causada por reacciones de oxidación excesiva y, al mismo tiempo, fortalece la unión entre el polímero conductor de iones dentro del electrodo y el catalizador, mejorando la estabilidad estructural general del electrodo.
El recubrimiento atómico actúa como una barrera protectora que previene la sobreoxidación de la superficie del iridio, manteniendo su actividad catalítica durante períodos mucho más prolongados sin necesidad de aumentar la carga del metal precioso.
Además, la tecnología aborda otro problema crítico: la delaminación entre el catalizador y el polímero conductor de iones (nafion) que conforma la capa catalítica del electrodo.
Con el tiempo, las repetidas expansiones y contracciones térmicas durante los ciclos de operación y parada del electrolizador debilitan la adhesión entre estos materiales, provocando el desprendimiento de partículas de catalizador y la pérdida de área activa.
El recubrimiento atómico desarrollado por LG Chem mejora la compatibilidad interfacial entre el catalizador y el polímero, creando un enlace más robusto que resiste los ciclos térmicos y mantiene la integridad estructural del electrodo durante períodos prolongados de operación.
«Esta investigación es un caso en el que la competitividad en tecnología de materiales de LG Chem ha sido reconocida a nivel mundial», afirmó Shim Kyu-seok, vicepresidente ejecutivo y director de Tecnología (CTO) de la empresa.
Materiales y componentes principales de LG Chem para electrólisis de agua
Mitad de iridio, el doble de vida útil
La aplicación de esta tecnología ha permitido al equipo reducir el uso de iridio a menos de la mitad de los niveles convencionales, al tiempo que ha extendido el tiempo de producción estable de hidrógeno en condiciones de alta densidad de corriente en más del doble.
Este avance es significativo porque abre un camino para reducir simultáneamente tanto el gasto de capital inicial como los costos de mantenimiento continuo de los sistemas de electrólisis PEM.
En términos prácticos, un electrolizador equipado con la tecnología de LG Chem podría operar durante el doble de años antes de necesitar un reemplazo del ánodo, mientras que la inversión inicial en materiales catalíticos se reduciría a la mitad, mejorando sustancialmente la economía del hidrógeno verde.
Los ensayos realizados por el equipo de investigación demostraron que los electrodos tratados con la tecnología de estabilización de interfase mantuvieron su actividad catalítica por encima del85% después de miles de horas de operación continua en condiciones de alta densidad de corriente (superiores a 1 A/cm²), un rendimiento que supera ampliamente a los electrodos convencionales, que suelen perder más del 40% de su actividad en el mismo período.
Estos resultados han sido validados mediante técnicas de caracterización avanzada como espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), que confirmaron la estabilidad de la interfase catalizador-polímero y la ausencia de disolución significativa de iridio.
Colaboración con KIST y validación a escala industrial
En la investigación ha participado un equipo liderado por el investigador principal Ko Jae-hyun del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST), que contribuyó a dilucidar el mecanismo de funcionamiento del material desarrollado mediante simulaciones de dinámica molecular y análisis de estructuras electrónicas.
Además, LG Chem ha completado la fabricación y verificación de rendimiento de electrodos de gran área basados en su propia tecnología de fabricación de electrodos, confirmando el potencial para la producción en masa y la comercialización.
Los electrodos de gran área (superficies activas superiores a 100 cm²) han demostrado mantener el rendimiento observado en las celdas de laboratorio, lo que valida la escalabilidad del proceso y allana el camino para su integración en electrolizadores comerciales de megavatios.
La compañía desarrolló procesos de fabricación por rollo a rollo (roll-to-roll) para aplicar el recubrimiento atómico de manera uniforme sobre grandes superficies, un requisito indispensable para la producción industrial de electrodos a bajo coste.
Por último, se está llevando a cabo actualmente evaluaciones de productos con múltiples fabricantes globales de sistemas de electrólisis y planea continuar con el desarrollo tecnológico con el objetivo de lograr una comercialización a gran escala.
LG Chem ha establecido acuerdos de colaboración con tres de los principales fabricantes de electrolizadores PEM de Europa y América del Norte, que están probando los electrodos desarrollados en sus sistemas comerciales. Los resultados preliminares, que se extenderán durante los próximos 12 meses, determinarán la fecha de lanzamiento comercial de la tecnología, que la compañía espera pueda estar disponible en el mercado a partir de 2028.
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