Los procesos de “adsorción” sobre sólidos nanoporosos, como posible solución al problema del almacenamiento de hidrógeno a temperatura ambiente

Autor: [José A. Villajos-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

 Los problemas derivados del almacenamiento y, en menor medida, del transporte de hidrógeno son, posiblemente, las mayores dificultades para la implementación de la tecnología basada en este vector energético para su uso en fuentes móviles, toda vez que otras limitaciones como el coste de las pilas de combustible o la producción de hidrógeno han sido objeto de importantes avances en los últimos años. Esto es debido a que, como el hidrógeno es el elemento más ligero de la naturaleza, su densidad energética por unidad de masa es elevadísima (por ejemplo, más del triple que la de la gasolina) pero un cierto volumen de gas se corresponde con la mínima masa posible y, por tanto, con una pequeña cantidad de energía. Por tanto, para que 5 o 6 kilogramos de hidrógeno gaseoso, suficientes para una autonomía de 500 kilómetros, sean almacenados en depósitos presurizados con un volumen tal que puedan ser transportados en el maletero de un utilitario es necesario presurizar a entre 700 y 1200 atmósferas. Esto supone que se empleen 600 kilogramos de acero o 135 kg de fibra de carbono para resistir esta presión, lo que supone una proporción considerable del coste y del peso del vehículo.

 Como alternativa se puede optar por la crioadsorción, similar a un proceso de adsorción, pero que se produce sobre la superficie de un sólido a muy baja temperatura -la correspondiente al nitrógeno líquido- como indica el prefijo “crio-”. Como se necesita una gran superficie de sólido, se trabaja con materiales nanoporosos, con poros de muy pequeño tamaño (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro), los cuales otorgan al sólido una superficie interna elevadísima, del orden de un campo de fútbol por gramo de masa e incluso mayor en el mejor de los casos. El resultado final es que el hidrógeno almacenado presenta densidades másica y volumétrica similares a las que se obtienen cuando se encuentra comprimido a 700 atmósferas, pero con la ventaja de haberse utilizado una presión muy inferior, lo que reduce la necesidad de emplear materiales de alta resistencia, peso y coste.

 Mejora del almacenamiento a temperatura ambiente en un material poroso tipo MOF.

 El problema es que los requisitos fijados por el Departamento de Energía de Estados Unidos implican el uso de temperaturas de operación similares a la ambiental, lo que no es posible dada la baja energía de interacción entre el sólido y el gas almacenado en este caso. Para solucionar este inconveniente se han estudiado mecanismos para aumentar dicha fortaleza de interacción que van desde la modificación de las propiedades estructurales de los sólidos a la inclusión de determinados grupos funcionales, así como de átomos metálicos en los mismos. Precisamente, la energía de interacción puede aumentarse aproximadamente cinco veces cuando nanocristales de platino (Pt) o paladio (Pd) son incorporados superficialmente a las cavidades del material, y la adsorción de hidrógeno se ve condicionada por un mecanismo por el cual una molécula de hidrógeno entra en contacto con el metal noble y se descompone en los dos átomos que la constituyen, de modo que finalmente éstos son almacenados por separado en la superficie del material nanoporoso, presentando los mismos una energía de interacción con el sólido muy superior a la de la molécula de partida. Experimentalmente, se han estudiado a temperatura ambiente y presión cercana a la atmosférica diferentes materiales porosos como carbones activados y, con resultados más satisfactorios, materiales tipo MOF (del inglés, “Metal-Organic Framework). Estos trabajos ponen de manifiesto que es posible reducir la presión de operación de los tanques de almacenamiento de hidrógeno a temperatura ambiente, utilizando pequeñísimas cantidades de metales nobles que, por otro lado, ya se utilizan en los catalizadores de los tubos de escape presentes en los actuales vehículos con motores de combustión interna.