Materiales de hierro y cobalto para producir hidrógeno de forma duradera mediante ciclos termoquímicos

Autora: [Carolina Herradón-Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

El óxido de hierro y las ferritas mixtas son materiales que pueden ser empleados como catalizadores para la descomposición de NO_x, contaminantes orgánicos, descomposición de biomasa y para la producción de hidrógeno mediante la reacción de monóxido de carbono con vapor de agua (water-gas shift). Sus propiedades magnéticas también les hacen atractivos para ser empleados como soporte de catalizadores ya que facilitan su separación aguas abajo del proceso en aplicaciones de catálisis ambiental. Además están atrayendo un interés considerable para su uso como intermedios en procesos químicos cíclicos y en ciclos termoquímicos para la producción de hidrógeno renovable en aplicaciones de energía solar concentrada [1].

M_xFe_3-xO₄ + Energía solar térmica → x MO + (3-x) FeO + 0,5 O₂                                (1)

x MO + (3-x) FeO + 0,5 O₂ → M_xFe_3-xO₄ + H₂                                                              (2)

Sin embargo el estudio detallado de los mecanismos de reacción y las etapas limitantes se ven dificultados por impedimentos morfológicos que presenta la ferrita en polvo. Por ejemplo, estudios empleando partículas de óxido de hierro en un ciclo termoquímico de dos etapas para producir hidrógeno permitieron observar un crecimiento del tamaño de partícula del material (por sinterización) a medida que aumentaba el número de ciclos a los que era sometido, lo que se traducía en un descenso de su superficie activa y como resultado final en una reducción de la eficiencia de conversión del proceso global.

En un esfuerzo por tratar de eliminar los problemas de sinterización, diferentes investigadores han estudiado como depositar la ferrita sobre soportes porosos como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ y zirconia estabilizada con Yttria (YSZ). Sin embargo, estos soportes no siempre se comportan de forma inerte desde un punto de vista químico.

Weimer y col. [1], empleando un método de deposición de capa atómica (ADL), que permite depositar finas capas del óxido metálico sobre el soporte poroso, han conseguido depositar ferritas de cobalto sobre soportes de ZrO₂ y Al₂O₃. Para ello se depositan capas de óxido de hierro (III) y óxido de cobalto (II) de manera alterna sobre el soporte poroso. La deposición de óxido de hierro (III) consiste en depositar ferroceno (99 %) y oxígeno de elevada pureza (99,9 %) en dosis alternas en el reactor a 450 °C. La deposición de óxido de cobalto (II) se lleva a cabo de la misma forma sólo que empleando cobaltoceno en vez de ferroceno [2]. Debido a la naturaleza auto-limitante de la química del proceso ALD, los precursores de cada media reacción sólo reaccionan en la superficie con grupos funcionales intermedios generados por el otro precursor. Esto asegura el control a nivel atómico ya que, como máximo, se deposita una submonocapa por cada media reacción. Así se consigue también un control preciso del grosor de las capas depositadas [3].

[1,3] Scheffe, J. R.; Allendorf, M. D.; Coker, E. N.; Jacobs, B. W.; McDaniel, A.H.;   Weimer, A.W.; “Hydrogen production via chemical looping redox cycles using atomic layer deposition-synthesized iron oxide and cobalt ferrites”. Chemistry of Materials (ACS publications) 2011; 23: 2030-2038.

[2]   Scheffe, J. R.; Li, J.; Weimer, A.W.; “A spinel ferrite/hercynite water-splitting redox cycle”. International Journal of Hydrogen Energy 2010; 35; 3333-3340.