Un nuevo electrolizador transforma el agua salada en hidrógeno

Investigadores de la Universidad de Shenzhen y la Universidad Tecnológica de Nanjing (China) han desarrollado un sistema de electrólisis de agua de mar (SES) para la electrólisis directa de agua de mar, sin reacciones secundarias ni corrosión.

El nuevo método funciona mediante la migración autoimpulsada del agua para evitar la necesidad de un proceso de desalinización independiente. El consumo de energía es supuestamente comparable al de la electrólisis alcalina industrial con agua pura.

Para desarrollar el electrolizador a escala de laboratorio, los científicos separaron las dos capas de electrodos con una capa de diafragma y luego las sumergieron en una solución concentrada de hidróxido (OH-): el SDE. Colocaron una membrana de politetrafluoroetileno (PTFE) entre el agua de mar y el SDE. Afirman que este diseño permite la difusión sesgada de vapor de agua, pero impide totalmente la penetración de agua de mar líquida e iones de impurezas como magnesio, cloruro y sulfato.

“Durante el funcionamiento, la diferencia de presión de vapor de agua entre el agua de mar y el SDE a través de la membrana proporciona una fuerza motriz para la gasificación espontánea del agua de mar (evaporación) en el lado del agua de mar y la difusión del vapor de agua a través del corto trayecto de gas dentro de la membrana hasta el lado del SDE, donde se reliquida por absorción del SDE”, explica el científico.

El consumo de agua en el SDE durante la electrólisis mantiene la diferencia de presión a través de la membrana, asegurando la entrada continua de agua dulce, sin consumo extra de energía.

Cuando la velocidad de migración del agua es igual a la velocidad de electrólisis, se establece un nuevo equilibrio termodinámico entre el agua de mar y el SDE, y se produce una migración de agua continua y estable a través de un mecanismo “líquido-gas-líquido” para proporcionar agua dulce para la electrólisis”, explican los investigadores.

El electrolizador a escala de laboratorio produjo hidrógeno a partir de agua de mar durante más de 72 horas, con tensiones medias de aproximadamente 1,95 V y 2,3 V a densidades de corriente de 250 mA cm-2 y 400 mA cm-2, respectivamente. Después de 72 horas, las concentraciones de impurezas de cloruro, sulfato y magnesio eran sólo del 0,008%, 0,052% y 0,089% del original.

“Los cálculos muestran que el gasto eléctrico de la producción [de hidrógeno] es de aproximadamente 4,6 kWh Nm-3H2 y 5,3 kWh Nm-3H2 a densidades de corriente de 250 mA cm-2 y 400 mA cm-2, respectivamente, lo que es comparable al de la electrólisis alcalina industrial con agua pura”, afirmaron los científicos.

Para probar el concepto, fabricaron un SES a escala que medía 82 cm x 62 cm x 70,5 cm. Al parecer, mostró un rendimiento estable durante más de 3.200 horas y un consumo de energía de aproximadamente 5,0 kWh Nm-3H2, sin que se detectara un aumento de los iones de impureza.

Los científicos afirmaron que su método puede seguir desarrollándose utilizando otros electrolitos capaces de absorber vapor de agua y conducir iones, o electrocatalizadores de alto rendimiento capaces de funcionar en el entorno SDE. Añadieron que la estrategia podría aplicarse a otros líquidos no volátiles como soluciones altamente concentradas de ácidos, álcalis y sales para su uso en el tratamiento de aguas residuales industriales.

Además, podría utilizarse para producir hidrógeno y recuperar recursos útiles como el litio del agua. También es necesario seguir investigando para que la compatibilidad del electrolizador con las fuentes de energía renovables se equipare a la de los electrolizadores convencionales.

Los científicos han expuesto sus hallazgos en “A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation” (Electrolizador de agua de mar basado en membranas para generar hidrógeno), publicado recientemente en Nature.