Crédito: Energía aplicada (2025). Doi: 10.1016/j.apenergy.2025.126362
Los portadores de oxígeno de ilmenita modificados con potasio y calcio, desarrollados por el Instituto de Ciencia Tokio, mejoran significativamente los rendimientos de hidrógeno y la eficiencia de reacción redox en los sistemas de bucle químico. La modificación química de la ilmenita da como resultado la formación de una fase de titanato de calcio con sustitución de hierro.
Este avance mejora la difusión de iones de óxido, acelera la producción de hidrógeno y también permite un sistema de poliginaciones para la producción simultánea de hidrógeno, la captura de dióxido de carbono y la generación de energía, que aprovecha el camino hacia los sistemas de energía escalables y neutrales al carbono.
El hidrógeno a menudo se conoce como combustible limpio porque cuando se quema, no libera dióxido de carbono (CO2), a diferencia de otros combustibles. Sin embargo, producir hidrógeno limpio sin emisiones de carbono es bastante desafiante.
Una solución prometedora es la producción de hidrógeno de bucle químico, un sistema de conversión de energía avanzado que permite la captura simultánea de CO2, producción de hidrógeno y generación de energía utilizando portadores de oxígeno circulantes. Sin embargo, encontrar portadores de oxígeno eficientes y escalables con alto rendimiento en el bucle químico ha seguido siendo un desafío hasta ahora.
Para abordar esto, un grupo de investigadores dirigido por el profesor Junichiro Otomo, junto con el investigador Dr. Zhuang Sun del Departamento de Ciencia e Ingeniería Transdisciplinaria, Instituto de Ciencias Tokio (Science Tokyo), Japón, desarrolló un portador de oxígeno modificado que podría mejorar dramáticamente la producción de hidrógeno y los bucle químicos.
Sus hallazgos fueron publicados en la revista Energía aplicada.
Los sistemas de bucle químico generalmente involucran tres reactores interconectados: un reactor de combustible que convierte el monóxido de carbono (CO) en CO2, un reactor de vapor para la formación de hidrógeno y un reactor de aire para la generación de energía.
Estos reactores circulan continuamente óxidos metálicos (portadores de oxígeno) que impulsan las reacciones redox sin combustión directa, permitiendo un aislamiento eficiente de CO2 y una producción de hidrógeno sostenible. La ilmenita es un portador de oxígeno a base de minerales naturales que se muestra prometedor en el bucle químico para la producción de hidrógeno. Sin embargo, a menudo sufre de una cinética lenta y bajos rendimientos de hidrógeno, lo que lo hace menos ideal para el uso de la escala industrial.
Para superar esto, los investigadores modificaron la estructura de ilmenita agregando potasio (k) y calcio (CA) a su estructura utilizando un método de síntesis de estado sólido. “Elegimos iones Ca y K para modificar la ilmenita”, explica Otomo. “Dado que ambos son componentes principales de las cenizas de biomasa, esto podría facilitar una mejor integración con combustibles renovables”.
Brevemente, los investigadores primero trataron la ilmenita natural para eliminar las impurezas. La ilmenita tratada se mezcló con cantidades específicas de carbonato de calcio y carbonato de potasio en un molino de bolas y calcinó a altas temperaturas (900 ° C y 1.300 ° C) para formar ilmenitas modificadas con K, CA modificadas y K-CA. Esta modificación introdujo una nueva fase llamada titanato de calcio con sustitución de hierro dentro de la estructura.
“Esta fase de titanato de calcio dopada con hierro juega un papel fundamental en la aceleración de las reacciones redox en la producción de hidrógeno porque el titanato de calcio dopado con hierro es un conductor iónico y electrónico”, señala Otomo.
“Al promover la difusión de iones de óxido, logramos una velocidad de reacción mucho más alta y un rendimiento de hidrógeno en comparación con los portadores a base de ilmenita convencionales”.
En efecto, esta investigación marca un hito significativo en la ciencia de los materiales y la energía limpia. Los nuevos portadores de oxígeno no solo son escalables sino también rentables. En particular, la ilmenita optimizada de K-CA co-modificada mejoró drásticamente la eficiencia en un 5,5% en un proceso de poligineración.
Redujo el consumo de CO en un 57% al tiempo que aumenta la producción de hidrógeno en ∼440%, todo dentro de un solo tercio del tamaño de un reactor a gran escala. Además, se espera que este nuevo portador de oxígeno tenga aplicaciones generalizadas en los sistemas de poligineración para la generación de energía limpia.
Mirando hacia el futuro, el equipo tiene como objetivo desarrollar métodos de síntesis de baja temperatura para la escala rentable.
“Un gran paso adelante sería en julio de 2025, cuando se espera que comiencen un proyecto de demostración dirigido por Osaka Gas Co., Ltd. y JFE Engineering Corporation, con el apoyo de la Organización de Frontera de Carbono de Japón”, dijo Otomo. Este proyecto utilizará el material recientemente desarrollado para generar simultáneamente hidrógeno, electricidad y CO2 a partir de biomasa y desechos líquidos.
Además, la Iniciativa de Transformación Verde de Ciencias Tokio (Science Tokyo GXI) también está apoyando el esfuerzo al expandir sus instalaciones experimentales.
Se está realizando un experimento de demostración con un reactor de lecho fluidizado a gran escala en la Universidad para refinar la tecnología para entornos prácticos. Sobre la base de nuevas colaboraciones, el equipo espera acelerar las tecnologías de poligineración para un futuro sostenible.
Más información: Zhuang Sun et al, ilmenitas modificadas con potasio y calcio para mejorar la reactividad y el rendimiento de hidrógeno en el bucle químico, la energía aplicada (2025). Doi: 10.1016/j.apenergy.2025.126362
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Tokio
Cita: Mejora de la producción de hidrógeno utilizando portadores de oxígeno de ilmenita modificados (2025, 21 de agosto) Recuperado el 21 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-hydrogen-production-ilmenite-oxygen-carriers.html
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