Electrólisis de agua de la membrana de intercambio de aniones para la producción de hidrógeno limpio utilizando directamente el agua alcalina de los residuos generado en la industria. Crédito: Instituto de Ciencias de Materiales de Corea (KIMS)
El Dr. Sung Mook Choi y su equipo de investigación en la División de Investigación de Materiales de Energía y Ambiental del Instituto de Ciencia de Materiales de Corea (KIMS) han desarrollado con éxito un catalizador de evolución de hidrógeno a base de metal no precioso altamente duradero para su uso en un sistema de electrólisis directa que emplea agua alcalina de desechos y membranas de intercambio de aniones (AEM). Este avance permite la producción de hidrógeno limpio utilizando directamente las aguas residuales alcalinas generadas a partir de procesos industriales.
En particular, el catalizador desarrollado se aplicó a un sistema de electrólisis de células individuales de 64 cm² a escala comercial y demostró una alta eficiencia de producción de hidrógeno con menos del 5% de degradación del rendimiento incluso después de más de 2,000 horas de operación continua, lo que dio una fuerte promesa para la aplicación del mundo real.
El agua alcalina de los desechos se genera en grandes volúmenes a partir de la fabricación de semiconductores y los procesos de grabado/limpieza de metales. Sin embargo, debido al alto costo del tratamiento y los posibles riesgos ambientales, su reutilización se ha mantenido económicamente ineficiente.
El electrólisis de agua de la membrana de intercambio de aniones (AEMWE) se considera un método adecuado para utilizar directamente el agua alcalina de los residuos sin la necesidad de purificación separada. No obstante, las impurezas e iones contenidos en el agua residual han interferido durante mucho tiempo con las reacciones electroquímicas durante la electrólisis, reduciendo significativamente la eficiencia de producción de hidrógeno.
El equipo de investigación descubrió que la interfaz entre el níquel y el óxido de cerio exhibe una energía de unión débil con iones de impurezas presentes en el agua alcalina de los desechos. Este hallazgo se validó teóricamente a través de un estudio de colaboración con el grupo del profesor Min Ho Seo en los cálculos de la Teoría Funcional de Densidad de Densidad (DFT) utilizando cálculos de teoría funcional de densidad (DFT).
Además, en colaboración con el equipo del profesor Jang Yong Lee en la Universidad de Konkuk, los investigadores desarrollaron una membrana de intercambio de aniones altamente duradera capaz de mantener el rendimiento incluso en entornos ricos en impurezas.
A través de este proceso de desarrollo, el equipo de investigación creó un catalizador de metales no precioso heteroestructurado basado en níquel y óxido de cerio. Este catalizador se puede aplicar directamente a los sistemas de electrólisis de agua utilizando agua alcalina residual, sin la necesidad de procesos de purificación complejos. Como resultado, el equipo ha establecido un avance tecnológico que no solo reduce los costos de producción de hidrógeno, sino que también mitiga la contaminación ambiental.
La síntesis y la caracterización de la superficie de NCC. a) Síntesis y caracterizaciones estructurales de NCC. b) imagen HR-TEM de NCC y la imagen de aumento para la interfaz entre NI y CEO2. Crédito: Ciencia avanzada (2025). Doi: 10.1002/advs.202502484
Los sistemas de electrólisis convencionales a base de agua dulce requieren aproximadamente 18 toneladas de agua cruda para producir 1 tonelada de hidrógeno, de las cuales se deben extraer aproximadamente 9 toneladas de agua ultrapura. Se estima que el costo de purificar esta cantidad de agua es de alrededor de USD 2,340. En contraste, la “tecnología de electrólisis de agua alcalina de desechos directos” desarrollada por el equipo de investigación permite el uso de grandes volúmenes de agua alcalina de residuos sin purificación, reduciendo drásticamente el costo de la producción de hidrógeno.
El equipo de investigación sintetizó el catalizador de metales heteroestructurado y no precioso, basado en óxidos de níquel y cerio, utilizando un método de coprecipitación, lo que permite una producción fácil a gran escala al disolver múltiples sustancias y precipitarlos simultáneamente.
El catalizador final se obtuvo a través de un proceso de tratamiento térmico de dos pasos. Este enfoque permitió la formación de numerosas vacantes de oxígeno y interacciones maximizadas de electrones -metal -soporte (EMSI), mejorando así tanto el rendimiento catalítico como la durabilidad.
Las vacantes de oxígeno facilitan el flujo de electrones más suave, acelerando la reacción de evolución de hidrógeno (HER), mientras que las fuertes interacciones entre el metal y los materiales circundantes mejoran la estabilidad operativa y la eficiencia del catalizador.
Una vez comercializado, se espera que esta tecnología acelere la autosuficiencia de los materiales de componentes clave en las futuras industrias de movilidad y energía, al tiempo que contribuye a la creación de nuevos mercados para hidrógeno limpio. Sobre la base de este logro, el equipo de investigación también está trabajando para desarrollar la tecnología AEMWE de próxima generación que utiliza directamente el agua de mar como fuente.
El Dr. Choi, el investigador principal de KIMS, declaró: “A través de este estudio, hemos demostrado que el agua alcalina de los desechos industriales puede reciclarse de manera efectiva para la producción de hidrógeno, reduciendo significativamente los costos de producción al tiempo que minimiza el riesgo de accidentes de fugas durante el transporte de aguas residuales.
“Se espera que la tecnología de electrólisis no basada en Freshwater obtenga una atención cada vez mayor en el campo de la producción de hidrógeno limpio en el futuro”.
Más información: Nam en Kim et al, colapsando el cuello de botella por efecto interfacial de Ni/CEO2 para la producción de hidrógeno a largo plazo utilizando agua alcalina de residuos en el electrolizado de agua de membrana de intercambio de aniones a escala práctica, ciencia avanzada (2025). Doi: 10.1002/advs.202502484
Proporcionado por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología
Cita: los sistemas de electrólisis directa convierten el agua alcalina de los residuos en hidrógeno limpio (2025, 21 de julio) recuperado el 21 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-electrólisis-alkaline-hydrogen.html
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