El paladio es una de las claves para impulsar una economía energética basada en el hidrógeno. Este metal plateado es un protector natural contra todos los gases, excepto el hidrógeno, al que deja pasar fácilmente. Por su excepcional selectividad, el paladio se considera uno de los materiales más eficaces para filtrar mezclas de gases y producir hidrógeno puro.

Hoy en día, las membranas de paladio se utilizan a escala comercial para proporcionar hidrógeno puro para la fabricación de semiconductores, el procesamiento de alimentos y la producción de fertilizantes, entre otras aplicaciones en las que las membranas operan a temperaturas moderadas. Si las membranas de paladio superan con creces los 800 kelvin, pueden romperse.

Ahora, ingenieros del MIT han desarrollado una nueva membrana de paladio que conserva su resiliencia a temperaturas mucho más altas. En lugar de fabricarse como una película continua, como la mayoría de las membranas, el nuevo diseño está hecho de paladio que se deposita como "tapones" en los poros de un material de soporte subyacente. A altas temperaturas, los tapones, ajustados a la perfección, se mantienen estables y continúan separando hidrógeno, en lugar de degradarse como lo haría una película superficial.

El diseño térmicamente estable abre oportunidades para que las membranas se utilicen en tecnologías de generación de combustible de hidrógeno, como la reforma compacta de metano con vapor y el craqueo de amoníaco, tecnologías que están diseñadas para operar a temperaturas mucho más altas para producir hidrógeno para combustible y electricidad con cero emisiones de carbono.

"Con más trabajo en el escalamiento y validación del rendimiento bajo alimentaciones industriales realistas, el diseño podría representar una ruta prometedora hacia membranas prácticas para la producción de hidrógeno a alta temperatura", dice Lohyun Kim PhD '24, ex estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Kim y sus colegas informan sobre los detalles de la nueva membrana en un estudio publicado hoy en la revista Advanced Functional Materials. Los coautores del estudio son Randall Field, director de investigación de la Iniciativa Energética del MIT (MITEI); Chun Man Chow, exestudiante de posgrado en ingeniería química del MIT (PhD ´23); Rohit Karnik, profesor Jameel del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y director del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS); y Aaron Persad, excientífico investigador en ingeniería mecánica del MIT y actual profesor adjunto de la Universidad de Maryland Eastern Shore.

Un futuro compacto

El nuevo diseño del equipo surgió de un proyecto del MITEI relacionado con la energía de fusión. Las futuras centrales eléctricas de fusión, como la que está diseñando Commonwealth Fusion Systems, una empresa derivada del MIT , implicarán la circulación de isótopos de hidrógeno de deuterio y tritio a temperaturas extremadamente altas para producir energía a partir de su fusión. Las reacciones inevitablemente producen otros gases que deberán separarse, y los isótopos de hidrógeno se recircularán al reactor principal para su posterior fusión.

Problemas similares surgen en otros procesos de producción de hidrógeno, donde los gases deben separarse y recircularse de nuevo a un reactor. Los sistemas de recirculación diseñados para este tipo de sistemas requerirían enfriar el gas antes de que pueda pasar a través de las membranas separadoras de hidrógeno, un paso costoso y de alto consumo energético que implicaría maquinaria y hardware adicionales.

Una de las preguntas que nos planteábamos era: ¿Podemos desarrollar membranas que estén lo más cerca posible del reactor y que funcionen a temperaturas más altas, sin tener que extraer el gas y enfriarlo primero? —dice Karnik—. Esto permitiría sistemas de fusión más eficientes energéticamente y, por lo tanto, más económicos y compactos.

Los investigadores buscaron maneras de mejorar la resistencia térmica de las membranas de paladio. El paladio es el metal más eficaz utilizado actualmente para separar hidrógeno de diversas mezclas de gases. Atrae de forma natural las moléculas de hidrógeno (H₂ ) a su superficie, donde los electrones del metal interactúan con los enlaces de la molécula y los debilitan, provocando la descomposición temporal del H₂ en sus respectivos átomos. Los átomos individuales se difunden a través del metal y se unen de nuevo en el otro lado como hidrógeno puro.

El paladio es muy eficaz para permear hidrógeno, y solo hidrógeno, de corrientes de diversos gases. Sin embargo, las membranas convencionales suelen funcionar a temperaturas de hasta 800 kelvin antes de que la película comience a formar agujeros o a aglomerarse en gotitas, permitiendo el paso de otros gases.

Enchufando

Karnik, Kim y sus colegas adoptaron un enfoque de diseño diferente. Observaron que, a altas temperaturas, el paladio comienza a contraerse. En términos de ingeniería, el material actúa para reducir la energía superficial. Para ello, el paladio, al igual que la mayoría de los demás materiales, e incluso el agua, se separa y forma gotitas con la menor energía superficial. Cuanto menor sea la energía superficial, más estable será el material frente a un mayor calentamiento.

Esto le dio al equipo una idea: si los poros de un material de soporte pudieran “taparse” con depósitos de paladio (básicamente formando una gota con la energía superficial más baja), el espacio reducido podría aumentar sustancialmente la tolerancia al calor del paladio y, al mismo tiempo, preservar la selectividad de la membrana para el hidrógeno.

Para probar esta idea, fabricaron pequeñas muestras de membrana del tamaño de un chip utilizando una capa de soporte de sílice porosa (cada poro mide aproximadamente media micra de ancho), sobre la cual depositaron una capa muy fina de paladio. Aplicaron técnicas para, básicamente, hacer crecer el paladio en los poros y pulieron la superficie para eliminar la capa de paladio y dejarlo solo dentro de los poros.

Posteriormente, colocaron muestras en un aparato diseñado a medida, en el que hicieron fluir gas con hidrógeno en diversas mezclas y temperaturas para comprobar su capacidad de separación. Las membranas se mantuvieron estables y continuaron separando el hidrógeno de otros gases incluso tras experimentar temperaturas de hasta 1000 kelvin durante más de 100 horas, lo que representa una mejora significativa con respecto a las membranas convencionales de película.

“El uso de membranas de película de paladio generalmente se limita a temperaturas inferiores a unos 800 kelvin, momento en el que se degradan”, afirma Kim. “Por lo tanto, nuestro diseño de tapón extiende la resiliencia térmica efectiva del paladio en aproximadamente 200 kelvin y mantiene su integridad durante mucho más tiempo en condiciones extremas”.

Estas condiciones se encuentran dentro del alcance de las tecnologías de generación de hidrógeno, como el reformado de metano con vapor y el craqueo de amoníaco.

El reformado de metano con vapor es un proceso consolidado que ha requerido sistemas complejos y de alto consumo energético para preprocesar el metano hasta obtener una forma que permita extraer hidrógeno puro. Estos pasos de preprocesamiento podrían sustituirse por un reactor de membrana compacto, a través del cual fluiría directamente el gas metano y la membrana interior filtraría el hidrógeno puro. Estos reactores reducirían significativamente el tamaño, la complejidad y el coste de la producción de hidrógeno mediante el reformado de metano con vapor, y Kim estima que una membrana debería funcionar de forma fiable a temperaturas de hasta casi 1000 kelvin. La nueva membrana del equipo podría funcionar correctamente en estas condiciones.

El craqueo de amoníaco es otra forma de producir hidrógeno, mediante el "craqueo" o descomposición del amoníaco. Dado que el amoníaco es muy estable en estado líquido, los científicos prevén que podría utilizarse como transportador de hidrógeno y transportarse de forma segura a una estación de servicio de hidrógeno, donde se podría introducir en un reactor de membrana que, a su vez, extrae el hidrógeno y lo bombea directamente a un vehículo de pila de combustible. El craqueo de amoníaco aún se encuentra en gran parte en las etapas piloto y de demostración, y Kim afirma que cualquier membrana en un reactor de craqueo de amoníaco probablemente operaría a temperaturas de alrededor de 800 kelvin, dentro del rango del nuevo diseño de membrana enchufable del grupo.

Karnik enfatiza que sus resultados son solo el comienzo. La adopción de la membrana en reactores operativos requerirá mayor desarrollo y pruebas para garantizar su fiabilidad durante períodos mucho más largos.

“Demostramos que, en lugar de crear una película, si se crean nanoestructuras discretizadas, se pueden obtener membranas mucho más estables térmicamente”, afirma Karnik. “Esto proporciona una vía para diseñar membranas para temperaturas extremas, con la posibilidad adicional de utilizar cantidades menores del costoso paladio, lo que permite que la producción de hidrógeno sea más eficiente y asequible. Hay potencial ahí”.

Este trabajo fue apoyado por Eni SpA a través de la Iniciativa Energética del MIT.

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