La creciente demanda global de energía limpia, junto con las preocupaciones sobre el cambio climático, ha intensificado la búsqueda de alternativas sostenibles. En este contexto, el hidrógeno se presenta como una solución prometedora, debido a su alta densidad energética y a la ausencia de emisiones de carbono. Sin embargo, la producción de hidrógeno enfrenta desafíos significativos, especialmente en métodos como la electrólisis del agua alcalina, que aunque es eficiente y ecológica, depende de recursos hídricos frescos, limitando su implementación a gran escala.
La electrólisis del agua de mar se postula como una alternativa viable al aprovechar los abundantes recursos hídricos de la Tierra, aunque la alta concentración de cloruros en el agua de mar acelera la corrosión de los catalizadores, lo que reduce la eficiencia y plantea un reto considerable para la generación sostenible de hidrógeno.
Avances en la producción de hidrógeno a partir de agua de mar
Un equipo de investigación liderado por el profesor asistente Haeseong Jang, del Departamento de Ingeniería de Materiales Avanzados de la Universidad Chung-Ang, y el profesor Xien Liu, del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Qingdao, ha desarrollado un electrocatalizador robusto y rentable capaz de realizar una evolución de hidrógeno de alto rendimiento en entornos salinos.
El Dr. Jang señala que, aunque la electrólisis del agua alcalina es atractiva económicamente por el uso de catalizadores de metales no preciosos, enfrenta desafíos significativos como la lenta cinética de la reacción de evolución de hidrógeno (HER) y problemas de corrosión en entornos reales, que obstaculizan su comercialización. La investigación se centra en desarrollar tecnologías de producción de hidrógeno limpio que sean viables económicamente y estables, superando estas barreras críticas.
Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Advanced Functional Materials el 7 de agosto de 2025. El equipo diseñó un catalizador basado en rutenio (Ru) que equilibra la actividad, la estabilidad y la resistencia a la corrosión por cloruros, superando las limitaciones de los catalizadores convencionales de platino o Ru en la electrólisis de agua alcalina y de mar. Para ello, emplearon una estrategia de pirólisis mediada por g-C3N4 para sintetizar nanoclústeres de Ru soportados en carbono dopados con nitrógeno, con una heteroestructura cristalina-amorfa (a/c-Ru@NC).
Durante el proceso de pirólisis, los gases reductores liberados por el g-C3N4 reducen in situ los iones Ru³⁺ a nanopartículas metálicas de Ru, mientras que la unión Ru–N interrumpe el orden atómico en el núcleo, formando una fase amorfa de Ru. Simultáneamente, los átomos de Ru en la superficie cristalizan, produciendo una unión estable entre las fases cristalina y amorfa. Esta arquitectura asegura una dispersión ultrafina de Ru (~2.27 nm), sitios activos deficientes en electrones y tensión en la red compresiva.
Las pruebas electroquímicas demostraron un rendimiento excepcional en la HER. En 1.0 M KOH, el a/c-Ru@NC mostró un sobrepotencial de solo 15 mV a 10 mA cm⁻², con una durabilidad confirmada a través de una operación estable durante 250 horas. Es crucial mencionar que el catalizador exhibió una resistencia a la corrosión por cloruros excepcional, con solo 8 mV de degradación del rendimiento y operación estable durante 100 horas en agua de mar simulada, superando a los catalizadores comerciales Pt/C y Ru/C.
El estudio destaca varias ventajas. La heteroestructura cristalina-amorfa combina sinérgicamente abundantes sitios activos con un transporte electrónico optimizado. El soporte de carbono dopado con nitrógeno previene la oxidación y la aglomeración del Ru, brindando una resistencia a la corrosión por cloruros excepcional. En conjunto, estas características permiten una producción de hidrógeno rentable y escalable directamente a partir del agua de mar, reduciendo la dependencia de agua dulce y combustibles fósiles, al tiempo que apoya la descarbonización en sectores intensivos en energía.
El profesor Liu enfatiza que este avance permite la electrólisis del agua de mar para la producción directa de hidrógeno, abriendo vastos recursos oceánicos para la generación de energía limpia. Los sistemas de electrólisis alcalina mejorados presentan una viabilidad económica notable, con 37 veces mayor actividad en masa en comparación con los catalizadores comerciales de Pt, lo que hace que la producción de hidrógeno sea significativamente más rentable.
La investigación establece una estrategia de heteroestructuración mediada por g-C3N4 que aborda simultáneamente los desafíos de actividad, estabilidad y corrosión en electrocatalizadores a base de Ru. Esta tecnología acelerará los esfuerzos de mitigación del cambio climático al permitir la descarbonización rápida de sectores como el transporte, la industria y la generación de energía, lo que conlleva una reducción significativa de la contaminación del aire y el establecimiento de una infraestructura energética sostenible integral.
La capacidad para realizar una electrólisis eficiente y duradera del agua de mar proporciona un modelo para la generación sostenible de hidrógeno a partir de los abundantes recursos oceánicos, allanando el camino para una infraestructura de hidrógeno verde a gran escala.
