Investigadores de la Tsinghua University (Beijing, China) desarrollaron una membrana de intercambio aniónico de nueva generación que logra un rendimiento sin precedentes en la producción de hidrógeno verde por electrólisis del agua.
Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Nature Communications, en un artículo titulado «Anode-pressurized water electrolysis with modulated anion exchange membrane architecture».
El trabajo, liderado por los autores Weizhe Zhang y Tao Wang aborda una de las principales limitaciones de los electrolizadores de membrana de intercambio aniónico: la dificultad para operar de manera eficiente a altas densidades de corriente debido a una conducción insuficiente de agua e iones hidróxido en condiciones de cátodo seco.
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La solución: una membrana con arquitectura nanoporosa modulada
Para superar este obstáculo, el equipo de Tsinghua University diseñó una membrana funcionalizada con quinuclidinio que posee una arquitectura de nanoporos modulada.
Esta estructura permite el paso de agua a través de canales hidrófilos interconectados que facilitan el transporte de especies iónicas, incluso cuando el cátodo opera en condiciones de sequedad, algo que los diseños convencionales no logran sostener a altas corrientes.
A esto se suma una configuración regulada que introduce un gradiente de presión del ánodo hacia el cátodo, mejorando aún más la permeación de agua.
El artículo también señala que los estrechos canales de gas de entre 1 y 2 nanómetros actúan en conjunto con el gradiente de presión aplicado para mitigar el cruce de hidrógeno, un fenómeno no deseado que reduce la eficiencia y afecta la seguridad operativa del electrolizador.
Gracias a esta combinación de membrana nanoestructurada y configuración con presión diferencial, el electrolizador alcanzó una densidad de corriente de 11,2 A·cm⁻² a 2 voltios y 90 °C utilizando un ánodo de níquel-hierro (NiFe), materiales abundantes y de bajo costo que reemplazan a los metales del grupo del platino.
En términos de durabilidad, el sistema demostró una robustez mecánica y química sobresaliente: operó de manera estable durante 2.000 horas continuas a una densidad de corriente de 1 A·cm⁻², con una tasa de degradación inferior a 1 μV·h⁻¹, uno de los valores más bajos reportados para esta tecnología.
Costo competitivo: 1,8 dólares por kilogramo de hidrógeno
El análisis económico realizado por los autores del estudio arrojó un costo nivelado del hidrógeno de 1,8 dólares por kilogramo.
Dicho valor es particularmente significativo, ya que se sitúa por debajo del objetivo de 2 dólares por kilogramo establecido por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) para 2026 dentro de su iniciativa Hydrogen Shot (lanzada en junio de 2021). Además, se acerca a la meta más ambiciosa de 1 dólar por kilogramo prevista para 2031.
El logro es relevante porque, según distintos reportes de la industria, el costo de producción de hidrógeno verde mediante electrólisis todavía se encuentra en un rango de 3 a 6 dólares por kilogramo en la mayoría de las geografías, frente a un hidrógeno gris (producido a partir de gas natural sin captura de carbono) que oscila entre 1 y 2 dólares por kilogramo.
Alcanzar la cota inferior de ese rango constituye un hito clave para la competitividad del hidrógeno renovable.
Camino prometedor para la producción de hidrógeno
El artículo concluye que la sinergia entre la membrana modulada y la configuración con gradiente de presión abre un camino prometedor para innovar en tecnologías energéticas de próxima generación, mejorando la adaptabilidad a diversos escenarios estáticos y dinámicos de operación de los electrolizadores.
Actualmente, el estudio se encuentra en etapa de investigación básica validada en laboratorio. No se han divulgado plazos concretos para su escalamiento industrial, aunque los autores señalan que el costo nivelado del hidrógeno estimado de 1,8 USD/kg revela un «potencial prometedor para su despliegue a gran escala».
Este tipo de avances suele requerir fases posteriores de validación en entornos preindustriales y acuerdos con fabricantes de electrolizadores, por lo que aún no existe información pública sobre su comercialización inminente.
El estudio fue posible gracias a la colaboración entre múltiples instituciones chinas. Además de los investigadores de la Tsinghua University (adscritos al Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of the Ministry of Education), participaron especialistas de la Hefei University of Technology, la Peking University y el Beijing Institute of Technology.
La investigación recibió el respaldo de varias entidades, entre ellas el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa Nacional de Apoyo a Talentos y el Programa Beijing Nova.
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