Catalizadores que producen hidrógeno y carbón “a la carta”: De grafito a grafeno
El Hidrógeno es una de las principales alternativas a los combustibles fósiles. Dentro de los procesos de producción de H2 el de Descomposición catalítica de metano es uno de los más viables desde el punto de vista económico y medioambiental. Este proceso fija el carbonen forma sólida ya que no produce CO2. Con el fin de aumentar la vialidad del proceso se han diseñado catalizadores que permiten obtener H2 y carbón como subproducto de alto valor añadido.
El Hidrógeno es una de las principales alternativas a los combustibles fósiles. Dentro de los procesos de producción de H2 el de Descomposición catalítica de metano es uno de los más viables desde el punto de vista económico y medioambiental. Este proceso fija el carbonen forma sólida ya que no produce CO2. Con el fin de aumentar la vialidad del proceso se han diseñado catalizadores que permiten obtener H2 y carbón como subproducto de alto valor añadido.
[Víctor A. de la Peña O’Shea; Prabhas Jana– Instituto IMDEA Energía-Grupo de Procesos Termoquímicos]
El Hidrógeno es considerado como una de las alternativas más viables a los combustibles fósiles, por lo que en los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo al desarrollo de materiales y métodos dirigidos a la producción y almacenamiento del mismo. El metano derivado tanto de recursos fósiles como de Biomasa (Biogás) es la principal fuente de almacenamiento de H2 debido a su elevada relación H/C (4:1) y el reformado de gas natural es tecnología más usada para la producción de Hidrógeno. Sin embargo, el principal problema de este proceso es la formación de grandes cantidades de CO2, (principal responsable del efecto invernadero) que debe de ser capturado lo que incrementa el coste del proceso. Por lo tanto, es necesario el uso de nuevos procesos que den lugar a una producción de hidrógeno, a partir de recursos renovables, y libre de emisiones de CO2. Dentro de este contexto, la Descomposición Catalítica de Metano (DCMe) se presenta como una vía de producción de hidrógeno muy prometedora y respetuosa con el medioambiente [1]:
CH4 (g) →H2 (g) + C(s)
Por lo tanto esta tecnología permite producir un H2 de alta pureza (apto para su uso en las pilas de combustible) y no genera emisiones directas de CO2. Por otro lado, se producen grandes cantidades de carbón como subproducto que puede ser utilizado con diversos fines (agricultura, construcción, pilas de combustible entre otros).
En los últimos años se han desarrollado distintos sistemas catalíticos (basados en carbón y metales de transición) activos en DCMe que incrementen la producción de H2 Aunque, el reto actual es el diseño de nuevos catalizadores que controlen las propiedades físicas del carbón producido durante la reacción. Esto es relevante porque la valorización del carbono producido es crucial para aumentar la viabilidad del proceso.
En general los materiales basados en carbono juegan un papel muy importante en la ciencia y la tecnología sobre todo desde el punto de vista energético. Desde su uso ancestral como combustibles hasta la su aplicación en nuevos materiales como la fibra de carbono. El carbono es un elemento que presenta una serie de propiedades especiales que dependen en una gran medida de su estructura. Los compuestos de carbono tienen varias formas alotrópicas: Diamante, grafito (3D), grafeno (2D), nanotubos (1D) o fullerenos (0D). En los últimos años, se ha prestado una gran atención a las formas nanotubos y fullerenos por sus numerosas aplicaciones en nanotecnología. Pero en los desde su descubrimiento en 2004 [2] la estrella de los materiales de carbono es el Grafeno debido a sus propiedades electrónicas que permiten su uso en: Ultracapacitadores, celdas solares, Circuitos integrados, transistores entre otras aplicaciones. En el año 2010 los investigadores Prof. A.K. Geim and Dr. K. S. Novoselov de la Universidad de Manchester recibieron el Premio Nobel de Física pos sus trabajos pioneros en la estabilización de monocapas de grafeno. El principal problema es que el coste derivado de la síntesis de estos compuestos es muy elevado y las cantidades que se producen son muy pequeñas.
Con el fin de unificar ambas tecnologías, producción de H2 y de materiales basados en carbón con alto valor añadido, se han desarrollado una serie de catalizadores basados en cobalto que permiten por medio de la DCMe a obtención de H2 de alta pureza y la producción de materiales de carbón “a la carta” en función de las propiedades morfológicas y estructurales del catalizador y de las condiciones de reacción [3].
Diseño de catalizadores de cobalto activos en la producción de H2 y de diferentes formas alotrópicas del carbón 1) Grafito, 2) nanotubos; 3) Grafeno.
References
- N.Z. Muradov, T.N.Veziroglu “From hydrocarbon to hydrogenecarbon to hydrogen economy”. Int J Hydrogen Energy, 30 (2005) 225-237
- K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, ¨Electric field effect in atomically thin carbon films¨ Science, 306 (2004) 666-669.
- P. Jana, V. A. de la Peña O’Shea, J. M. Coronado, D. P. Serrano, ¨Co-production of graphene sheets and hydrogen by decomposition of methane using cobalt based catalysts¨ Ener. & Environ. Sci., 4 (2011) 778-783.
