Efectos de las impurezas catiónicas en el rendimiento del electrolizador de PEM. A, B, curvas de polarización (a) y pruebas cronopotentiométricas a 1.0 A cm – 2 (b) de un electrolizador PT/C || IRO2 suministrado con agua DI que contiene iones Na+, Ca2+ o Fe3+. En A y B, se incluyen curvas para el electrolizador PEM que funciona en agua DI como referencia. Carga del catalizador de PT/C || Electrolyser IRO2: 2 mgpt/c por cm2 (mgpt/c cm – 2; 0.4mgpt cm – 2) y 0.5 mgiro2 cm2. C, Ilustración esquemática del acoplamiento del pH Ultramicroelectrodo con un SECM para monitorear el pH in situ en la capa de catalizador PT/C (CL). Tenga en cuenta que el agua de alimentación se suministró en ambos lados, y el agua de alimentación del ánodo y el cátodo se mezcló durante la operación del electrolizador. D, valores de phcatodos medidos a diferentes densidades de corriente para una distancia fija de 1 μm entre el ultramicroelectrodo de pH y la capa de catalizador. Todos los valores se expresan como media ± desviación estándar (DE); Las barras de error indican el SD para tres medidas. E, Phcathode escaneó a 0.5 A cm – 2 en el plano X -Y sobre un área de 100 μm × 100 μm. F, movilidad transmembrana de Na+, Ca2+ y Fe3+ cuando el electrolizador se operó a 1.0 por cm – 2. Crédito: Wang et al. (Nature Energy, 2025).
En los últimos años, los ingenieros de energía han estado trabajando en una amplia gama de tecnologías que podrían ayudar a generar y almacenar energía eléctrica de manera más sostenible. Estos incluyen electrolizeros, dispositivos que podrían usar electricidad de origen a través de fotovoltaicos, turbinas eólicas u otras tecnologías energéticas para dividir el agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), a través de un proceso conocido como electrólisis.
El hidrógeno producido por los electrolizadores podría usarse a su vez en celdas de combustible, dispositivos que convierten la energía química en el hidrógeno en electricidad sin combustión y podrían usarse para alimentar camiones, autobuses, montacargas y varios otros vehículos pesados, o podrían proporcionar potencia de respaldo para hospitales, centros de datos y otras instalaciones.
Muchos electrolizadores diseñados recientemente provocan la división del agua en hidrógeno utilizando una membrana de intercambio de protones (PEM), una membrana que permite que los protones (H+) pasen, mientras bloquean los gases.
Se descubrió que los electrolizadores de PEM producen hidrógeno con una mayor pureza en comparación con la producida por electrolizadores alcalinos, que actualmente son los más empleados. No obstante, también son más caros y requieren agua ultrapura, ya que las impurezas (por ejemplo, iones cargados positivamente, iones cargados negativamente y otros contaminantes) hacen que los dispositivos se degraden rápidamente con el tiempo.
Investigadores de la Universidad de Tianjin y otros institutos recientemente idearon una estrategia para mejorar los catalizadores para los electrolizeros de PEM, lo que les permitió dividir el agua impura.
Su estrategia, esbozada en un artículo publicado en la energía de la naturaleza, implica la creación de un microambiente ácido en electrolizeros PEM, modificando capas de catalizadores de cátodo utilizando una clase de compuestos llamados óxidos de ácido Brønsted.
“Los electrolizadores de PEM generalmente usan agua ultrapura como materia prima porque los contaminantes traza en el agua de alimentación, especialmente las impurezas catiónicas, pueden causar su falla”, escribieron Ruguang Wang, Yuting Yang y sus colegas en su artículo.
“Desarrollar electrolizeros PEM que puedan resistir el agua de menor pureza podría minimizar el pretratamiento del agua, menores costos de mantenimiento y extender la vida útil del sistema.
“En este contexto, hemos desarrollado un electrolizado PEM regulado por pH microambiente que puede operar constantemente en agua impura (‘toque’) durante más de 3.000 h a una densidad de corriente de 1.0 por cm-2, manteniendo un rendimiento que es comparable a los electrolizeros PEM de última generación que usan agua pura”.
Para evaluar el potencial de su estrategia, Wang, Yang y sus colegas agregaron el óxido de ácido Brønsted MoO3-X a un cátodo hecho de platino y carbono (PT/C). Descubrieron que cuando se integraron en electrolizadores PEM como catalizador, este cátodo mejoró su rendimiento, lo que les permitió producir hidrógeno de manera confiable del agua impura, sin degradarse rápidamente con el tiempo.
“Utilizando una técnica que combina un ultramicroelectrodo de pH con microscopía electroquímica de barrido, monitoreamos las condiciones de pH local en un electrolizado PEM in situ, descubriendo que los óxidos de ácido Brønsted pueden reducir el pH local”, escribió Wang, Yang y sus colegas.
“Así introdujimos un óxido de ácido Brønsted, MoO3-X, en un cátodo PT/C para crear un microambiente fuertemente ácido que aumente la cinética de la producción de hidrógeno, inhibe la deposición/precipitación en el cátodo y suprime la degradación de la membrana”.
Este estudio podría abrir nuevas posibilidades emocionantes para el diseño de electrolizeros PEM, ya que podría ayudar a reducir su dependencia de agua ultra pure y, por lo tanto, hacerlas más fáciles de desplegar en entornos del mundo real.
En el futuro, otros ingenieros de energía podrían aprovechar los hallazgos del equipo para desarrollar otros electrolizadores de PEM que puedan dividir de manera confiable agua impura en hidrógeno.
Escrito para usted por nuestro autor Ingrid Fadellieditado por Sadie Harley
y verificado y revisado por Andrew Zinin —Este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Confiamos en lectores como usted para mantener vivo el periodismo científico independiente. Si este informe le importa, considere un donación (especialmente mensual). Obtendrá una cuenta sin anuncios como agradecimiento.
Más información: Ruguang Wang et al, capas de catalizador de cátodos modificadas con óxidos de ácido Brønsted para mejorar los electrolizadores de membrana de intercambio de protones para la división de agua impura, energía de la naturaleza (2025). Dos: 10.1038/s41560-025-01787-9
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Cita: convertir el agua del grifo en hidrógeno: la nueva estrategia permite a los electrolizadores de PEM usar agua impura (2025, 26 de junio) recuperado el 26 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-hydrogen-strategy-pem-electrolizers-impure.html
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