El hidrógeno ha atraído mucha atención debido a su potencial como vector de energía limpia. Hasta la fecha, la mayor parte del hidrógeno se produce a partir de combustibles fósiles, como el gas natural, el carbón y el petróleo. Dicho hidrógeno de origen fósil debe purificarse de contaminantes comunes (CO2, CH4, CO y H2S, por ejemplo) para futuras aplicaciones de celdas de combustible.
La división de agua asistida por hidrógeno de origen fósil utilizando una membrana cerámica de conducción de iones de oxígeno densa es una técnica prometedora de purificación de H2 debido a la selectividad de oxígeno del 100% de la membrana para obtener directamente hidrógeno puro. Sin embargo, las membranas conductoras de oxígeno existentes sufren problemas de estabilidad química en las duras condiciones operativas anteriores.
Recientemente, investigadores del Instituto Qingdao de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos (QIBEBT) de la Academia de Ciencias de China (CAS) han desarrollado un nuevo enfoque de «reensamblaje inducido por reacción de interfaz» para fabricar membranas cerámicas multicapa con película delgada a base de ceria (óxido de cerio) para producción estable de hidrógeno.
El estudio fue publicado en Angewandte Chemie International Edition.
Utilizando la membrana multicapa desarrollada, los investigadores demostraron la producción de hidrógeno a partir de la división del agua con la ayuda de la oxidación de gas de horno de coque simulado que contenía H2, CH4, CO2, CO y H2S
«Las membranas cerámicas de capas múltiples se fabrican típicamente usando métodos de deposición capa por capa. Sin embargo, estos métodos a menudo requieren un procedimiento en serie, y el grosor de las capas delgadas y densas suele estar entre 10 y 1000 μm. Además, las capas delgadas depositadas a menudo se deslaminan de las capas de soporte durante la co-sinterización«, comenta el autor correspondiente, el profesor Jiang Heqing, de QIBEBT.
Inspirándose en la estructura arquitectónica de los pastos enraizados en el suelo, los investigadores desarrollaron un enfoque de reensamblaje inducido por reacción de interfaz para fabricar una membrana cerámica de tres capas con una capa delgada densa conductora de oxígeno enraizada en su capa principal, que resulta directamente de una sinterización única por etapas de precursores cerámicos bifásicos.
Evitar el crecimiento continuo de la capa delgada
«En este nuevo enfoque, mediante la aplicación deliberada de un grabador Al2O3 adecuado, los granos superficiales que contienen hierro en el gránulo prensado se grabaron selectivamente a través de reacciones de interfaz a altas temperaturas, produciendo entalpía de reacción«, comenta el profesor asociado He Guanghu, de QIBEBT, primer autor del estudio.
«Se espera que el calor aumente la temperatura local para impulsar el reensamblaje de los granos de tipo fluorita aislados en la superficie en una capa delgada y densa que corte las reacciones de interfaz, evitando el crecimiento continuo de la capa delgada«, agrega.
Con este enfoque de reensamblaje inducido por la reacción de interfaz, los investigadores encontraron que las capas resultantes a base de ceria eran muy delgadas (~1 μm), muy densas y se adherían fuertemente a las capas originales, no solo reduciendo significativamente la resistencia al transporte iónico, sino también asegurando la integridad estructural de las membranas multicapa para diversas aplicaciones.
Una durabilidad muy larga, por encima de las 1.000 horas
Utilizando la membrana multicapa desarrollada, los investigadores demostraron la producción de hidrógeno a partir de la división del agua con la ayuda de la oxidación de gas de horno de coque simulado que contenía H2, CH4, CO2, CO y H2S. Descubrieron que la membrana con una capa delgada densa de CGO mostró una durabilidad muy larga (>1.000 horas), lo que subraya la promesa de los reactores de membrana de alto rendimiento para la producción de hidrógeno en condiciones prácticas.
«Estos resultados sugieren que esta técnica allana el camino para el desarrollo de cerámicas multicapa de alto rendimiento con capas funcionales para diversas aplicaciones, por ejemplo, celdas de combustible de óxido sólido y celdas de electrólisis de óxido sólido. Este es también el enfoque de nuestro trabajo futuro«, concluye el profesor Jiang Heqing, de QIBEBT, quien dirigió el estudio.
Fuente: Angewandte Chemie International Edition.
